정화 기술이 미세 플라스틱 오염을 종식시킬 수 있을까?

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/can-purification-technologies-end-microplastic-pollution

1980년대에 가장 사랑스럽게 기억되는 히트곡 중 하나에서 Buggles라는 그룹은 "Video Killed the Radio Star"를 불렀습니다. 그들이 옳았을 수도 있습니다. 그러나 진정으로 예지력이 있었던 것은 덜 기억되는 후속작이었습니다. 우리는 실제로 "플라스틱 시대에 살고 있습니다."

일부 지질학자에 따르면 지구는 현재 인류세로 알려진 시대에 접어들었습니다. 인류가 지구에 미치는 영향은 미래 세대가 지질 샘플을 조사하면 명백하게 알 수 있는 시대입니다. 이 용어는 아직 공식적으로 인정받지는 않았지만 전 세계 지질학회에서 이를 고려하고 출판물과 컨퍼런스에서 비공식적으로 사용하고 있습니다. 일부에서는 이 시대가 산업 혁명으로 시작되었고 그 특징이 대기 중 이산화탄소의 증가에서 비롯될 것이라고 믿지만, 가장 분명한 지표 중 하나는 1960년대 이후 플라스틱이 존재했다는 것입니다.

합성 폴리머는 이제 어디에나 있습니다. 가장 깊은 해구에서 가장 높은 산 꼭대기까지 지구상의 모든 지역에서 합성 폴리머의 흔적이 발견되었습니다. 가장 우려되는 플라스틱 범주 중 하나는 미세 플라스틱입니다. 미세 플라스틱은 미국 국립 해양 대기청에서 길이가 5mm 미만인 플라스틱 입자로 정의하지만 많은 경우 훨씬 작습니다. 일반적으로 더 큰 폴리머 조각의 기계적 분해를 통해 형성되며 주목할 만한 메커니즘은 합성 섬유로 만든 의류의 세탁과 바다에 플라스틱 폐기물을 버리는 것입니다.

바다의 미세 플라스틱 폐기물은 해양 생태계를 방해할 수 있습니다. 미세 플라스틱 폐기물은 물고기, 다른 해양 생물 및 이를 먹이로 하는 생물의 위와 조직에 축적되어 해양 행동을 변화시키고 성장을 감소시키며 번식을 제한합니다. 미세 플라스틱이 인간에게 직접적으로 독성이 있다는 것은 입증되지 않았지만, 확실히 영양가가 없고 생물 축적성이 있습니다. 먹이 사슬에서 수준이 증가함에 따라 인간의 장에 있는 플라스틱의 양은 증가할 가능성이 큽니다. 미세 플라스틱 생물 축적의 가능한 독성 효과 외에도, 자유롭게 떠다니는 오염 물질(예: 폴리염소비페닐, 중금속 화합물 및 다환 방향족 탄화수소)은 미세 플라스틱 표면에 달라붙는 경향이 있어 입자가 섭취되면 이러한 유해 물질이 신체로 유입됩니다.

©Alexander Schimmeck/Unsplash

이러한 상황은 미래에 부정적인 건강 영향으로 이어질 가능성이 큽니다. 이러한 이유로 보건 당국은 식품 사슬 내의 미세 플라스틱 양을 줄이기 위해 열의를 보이고 있습니다. 식품 사슬에서 미세 플라스틱을 제거하는 한 가지 방법은 식품 사슬을 차지하는 동물의 서식지를 청소하는 것입니다.

그러나 이러한 포괄적인 제거 프로세스를 구현하고 유지하는 것은 어렵고 힘들 수 있습니다. 환경에서 미세 플라스틱 폐기물을 제거하는 더 실현 가능한 수단은 물 공급원에서 발견되는 수준을 줄이는 데 집중하는 것일 수 있습니다. 미세 플라스틱의 많은 공급원이 국내에 있기 때문에 정수장에서 미세 플라스틱을 제거하면 두 가지 목적이 있습니다. 음용수에서 미세 플라스틱을 제거하고 강과 바다로 흘려보내는 처리된 물에서도 미세 플라스틱을 제거합니다.

폐수 처리 공정에서 미세 플라스틱 제거에 대한 연구 리뷰가 2021년 1월 저널인 Environment International 에 게재되었습니다 . 베이징 화학 기술 대학, 베이징 기술 및 경영 대학, 허난 사범 대학의 세 중국 대학의 환경 과학자들이 수행한 이 리뷰는 글로벌 폐수 처리 시설의 미세 플라스틱을 다룬 23개의 주요 논문에 대한 메타 분석을 중심으로 진행되었습니다.

이 연구에서는 리터당 0.28개에서 3.14×10,000개 입자를 포함하는 유입 폐기물 흐름을 살펴보고 처리 시설의 액체 및 슬러지 유출물을 모두 고려했습니다. 그들은 필터 기반 처리 기술이 미세 플라스틱을 제거하는 데 가장 효과적이라는 것을 발견했습니다. 0.5~5mm 크기의 섬유와 입자는 1차 침전으로 쉽게 분리되었고, 폴리에틸렌과 작은 크기의 미세 플라스틱 입자(0.5mm 미만)는 생물 반응기 시스템의 활성 슬러지에서 박테리아에 의해 갇혔습니다.

중국 연구에서 분석한 논문은 미세 플라스틱 폐기물에서 29가지 유형의 폴리머를 식별했습니다. 이 중 6가지 폴리머 유형이 우세했습니다. i) 폴리아미드; ii) 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터(주로 섬유 및 합성 의류에서 유래); iii) 폴리에틸렌; iv) 폴리프로필렌; v) 폴리스티렌 및 고체 폴리에스터(플라스틱 제품의 기계적 분쇄 및 타이어 및 섬유 제조에서 유래); vi) 도로 먼지의 고무 입자(주로 타이어에서 유래). 일부 다른 유형의 미세 플라스틱 폐기물은 지역별로 달랐습니다. 예를 들어, 스코틀랜드 글래스고의 폐수에는 산업용 코팅에 널리 사용되는 알키드가 포함되어 있었습니다.

©Ivan Bandura/Unsplash

중국 연구에서는 다양한 처리 공정의 제거 효율을 살펴보았습니다. 이러한 공정은 자갈과 기름 제거 및 침전 절차와 같은 1차 단계 절차부터 A20(질소와 인을 제거하기 위한 혐기성/무산소성/호기성 탱크), 바이오필터 및 기타 바이오리액터와 같은 2차 단계 공정, 자외선, 오존, 염소 처리, 생물학적 활성 필터, 디스크 필터 및 급속 모래 필터와 같은 3차 단계 처리까지 다양했습니다.

3단계 중에서 1차 및 2차 방법은 미세 플라스틱 제거에 거의 동일한 효율성을 보였지만 3차 방법은 제한된 제거 효율을 보였습니다. 필터 기반 기술이 가장 효과적인 것으로 나타났지만, 빠른 모래 여과가 미세 입자를 더 작은 조각으로 분해하는 경우와 같이 문제가 없는 것은 아니었습니다.

특정 연구에 따르면 2차 단계 멤브레인 생물 반응기는 이미 예비 처리를 거친 물에서 미세 플라스틱 입자의 99.9%를 제거할 수 있습니다. 핀란드 알토 대학의 한 연구에 따르면 일반적으로 사용되는 활성 슬러지 공정은 침전되지 않은 하수에 공기나 산소를 불어넣어 고체 덩어리를 분해하고 유기물을 소화하는 생물학적 '수프'를 만드는 2차 단계 절차로, 크기가 20마이크로미터에서 5mm인 입자의 99%를 제거했습니다. 이는 폴리머 유형이나 입자 모양에 관계없이 효과적인 것으로 나타났습니다.

처리 과정을 분석한 결과, 이 연구에서는 1차 처리로 '미세 쓰레기'의 99%가 제거되었고, 활성 슬러지 처리로 잔류물의 88%가 제거되었음을 발견했습니다. 추가 공정으로 잔류물이 더욱 감소했습니다. 멤브레인 생물 반응기는 추가로 99.9%를 제거했습니다. 모래 여과는 97%, 용해 공기 부유는 95%, 디스크 여과는 40%에서 98.5% 제거했습니다. 생물학적으로 활성인 여과는 아무런 영향을 미치지 않았다고 핀란드 연구자들은 덧붙였습니다.

그러나 Aalto 팀이 부르는 대로, 미세 쓰레기를 하수에서 제거한다고 해서 문제가 해결되는 것은 아닙니다. 폐수 처리로 인해 발생하는 슬러지는 종종 농경지로 퍼집니다. Royal Melbourne Institute of Technology의 공학부의 Abbas Mohajerani는 2020년 4월 저널 Waste Management 에 논문을 발표 하여 미국, 유럽 연합, 중국, 캐나다, 호주의 농경지에 매년 총 62,192톤의 미세 플라스틱이 퍼진다고 밝혔습니다. 이러한 미세 플라스틱은 토양에서 분해되어 나노 플라스틱을 형성합니다.

모하제라니는 나노플라스틱이 건강에 더 큰 위험을 초래한다고 설명했습니다. 나노플라스틱의 비표면적이 매우 크기 때문에 위에 나열된 것과 같은 상당량의 독성 오염 물질을 식품 사슬로 운반할 수 있기 때문입니다. 모하제라니가 이 문제에 대해 선호하는 해결책은 전 세계적으로 벽돌 생산에 무게 기준으로 7%의 생물 고형물을 첨가하도록 의무화하는 것입니다. 이렇게 하면 미세 플라스틱이 건축 자재에 고정되어 식품 사슬로 유입될 수 없습니다.

흥미롭게도, 이 기술은 벽돌 구이에 필요한 에너지를 12.5% ​​이상 줄이는 추가적인 이점이 있습니다. 전 세계적으로 매년 약 15억 개의 벽돌이 생산됩니다. 최근 연구에 따르면 벽돌 1,000개마다 5,300MJ 이상의 내재 에너지가 포함되어 있으며 제조 과정에서 약 6톤의 이산화탄소가 배출된다는 것을 고려하면 이러한 에너지 감소는 그 자체로 가치 있는 목표가 될 수 있습니다.

*Stuart Nathan is a London-based freelance writer, specializing in science, engineering and technology.