새롭게 수행된 실험실 실험이 폐수에서 브롬화물(bromide)과 요오드화물(iodide)이 할로겐으로 치환된 살균 부산물(halogenated disinfection by-products)의 형성에 기여할 수 있다고 제안했다.
일부 천연가스 추출 운영은 수압 파쇄(hydraulic fracturing) 또는 파쇄로부터 발생하는 소금물(saline water)을 처분하기 위하여 폐수 처리장(wastewater treatment plant)으로 보낸다. 이후 폐수 처리장은 처리된 물을 음용수로 투입될 수 있는 하천으로 방류한다.
미국 스탠퍼드 대학(Stanford University) 소속의 연구진이 수행한 새로운 연구는 이러한 수압 파쇄에서 발생하는 폐수를 처리하는 공정에 문제가 발생할 가능성이 있다는 사실을 발견했다. 심지어 10,000배 이상으로 희석될 때조차, 수압 폐수(fracking wastewater)는 음용수 살균이 수행되는 동안 유사한 조건 하에서 문제를 유발할 수 있는 화합물의 형성을 증가시킬 수 있다고 동 연구는 밝혔다. 폐수에 함유된 할로겐화물(halide)은 독성 살균 부산물로 이어지고, 일부 수준은 음용수 처리장에 대하여 허용된 방류 한계치를 초과한다고 연구진은 밝혔다.
물을 살균하는 데 사용된 염소와 클로라민(chloramine)은 트리할로메탄(trihalomethane)과 할로아세틱엑시드(haloacetic acid)와 같은 화합물을 형성하기 위하여 유기물과 반응할 수 있다. 이러한 살균 부산물은 암과 신경계 문제와 관련이 있으며, 일부 물질은 환경보호청(EPA; Environmental Protection Agency)에 의해 규제되고 있다. 브롬화물과 요오드화물과 같은 다른 할로겐화물 존재 하에, 살균제(disinfectant)는 염소로 치환된 유사한 화학물질보다 더 심각한 독성을 가지는 부산물을 생성시킬 수 있다. 수압 파쇄가 수행되는 동안 생성된 폐수는 높은 농도의 이러한 할로겐화물을 함유할 수 있으며, 물이 상용 처리장 또는 도시 폐수 처리장을 거친 후에도 남아 있게 된다.
스탠퍼드 대학 소속의 William A. Mitch와 그의 동료 연구진은 파쇄로부터 발생하는 폐수가 하류 음용수 처리장에서 소독 부산물 형성에 어떻게 영향을 끼치는가에 대하여 규명하기를 원했다. 연구진은 펜실베이니아 주 마르셀루스 셰일(Marcellus Shale)에서 이루어지고 있는 수압 파쇄 운영으로부터 2개의 폐수 시료를 얻었다. 음용수 처리장이 흡수한 물질의 화학적 조성을 시뮬레이션하기 위하여, 연구진은 부피당 0.010~0.1%의 폐수를 함유하는 시료를 얻는 데 셰일 운영의 하천 하류로부터 수거한 물로 폐수를 희석했다. 이후 연구진은 음용수 처리장에서 폐수를 살균 처리하는 것처럼, 시료를 염소, 클로라민 또는 오존 등으로 처리했다.
질량 분광분석법(mass spectrometry)을 이용하여, 연구진은 살균 부산물 수준의 범위를 측정하여, 파쇄 폐기물이 없는 처리된 하천수의 수준과 비교했다. 0.01% 폐수를 함유하는 염소로 치환된 시료에서, 트리할로메탄과 할로아세토니트릴(haloacetonitrile)의 농도는 처리된 변경되지 않은 하천수에서 두 물질의 농도보다 훨씬 더 높았다. 0.1%의 폐수를 함유하는 시료는 트리할로메탄의 농도 수준이 70~140% 더 높았으며, 이러한 화합물의 일부 농도는 EPA 한계치를 초과했다. 오존으로 처리된 물 시료에서, 잠재적인 발암성 물질인 브론산염(bromate)은 허용치(regulatory limits) 이상을 나타냈다. 또 연구진은 파쇄 폐수가 염소로 치환된 유사한 화학물질보다 상당히 더 높은 독성을 나타내는 경향이 있는 브롬으로 치환된 살균 부산물과 요오드로 치환된 살균 부산물의 수준을 증가시킬 수 있다는 것을 확인했다.
실제적인 음용수 처리장에서, 이러한 화합물에 대한 유기 전구체는 살균 이전에 제거될 수 있다. 따라서 제어된 부산물은 보다 더 낮은 수준에서 발견될 수 있다고 연구진은 논문에 기술했다. 그러나 2010년에, PWSA(Pittsburgh Water & Sewer Authority)는 음용수에서 트리할로메탄에서 상당한 증가를 측정했다. PWSA는 파쇄 폐기물을 취급하는 산업용 폐수 처리장으로부터 유래하는 원수(source water)에서 상승된 브롬화물(bromide)과 관련된 문제를 추적했다.
펜실베이니아 환경보호국(Pennsylvania Department of Environmental Protection)은 폐수를 내보내는 것에서 펜실베이니아 주 내 도시 폐기물 처리장에 이르는 수압 파쇄 운영을 억제하기 시작했다. 이러한 폐기 방법은 지진을 유발하는 것과 같은 우려를 제기함에도 불구하고, 이러한 폐수의 일부는 지하에 주입되는 대신 오하이오 주로 방향을 바꾸었다.
살균 부산물 문제에 대한 한 가지 해결 방안은 과도한 할로겐화물을 제거하도록 폐수를 처리하는 것이라고 미국 지질 연구소(U.S. Geological Survey) 소속의 Michelle L. Hladik은 밝혔다. 그녀는 현재의 연구가 화학물질의 형성과 추가된 파쇄 폐수의 양 사이의 관계를 보여주었기 때문에, 음용수 처리장에 남겨진 부산물의 수준에 대한 미래 연구에 유용하다고 밝혔다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 26일]
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Fracking Wastewater Could Encourage Formation Of Toxic Compounds During Drinking Water Disinfection
Some natural gas extraction operations have sent the highly saline water left over from hydraulic fracturing, or fracking, to wastewater treatment plants for disposal. These plants then discharge their treated water into rivers that may feed drinking water plants downstream.
A new study finds a possible problem with this process: Even when made 10,000 times more dilute, fracking wastewater can increase levels of troubling compounds formed under conditions similar to those during drinking water disinfection (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.102/es50281841). Halides in the wastewater lead to toxic disinfection by-products, some at levels that exceed allowed discharge limits for drinking water treatment plants, the researchers say.
Chlorine and chloramine used to disinfect water can react with organic matter to form compounds such as trihalomethanes and haloacetic acids. These disinfection by-products have been linked to cancer and nervous system problems, and some are regulated by the Environmental Protection Agency. In the presence of other halides such as bromide and iodide, the disinfectants can create by-products that are even more toxic than their chlorinated analogs. Wastewater generated during hydraulic fracturing can contain high concentrations of these halides, and they remain after the water goes through commercial or municipal wastewater treatment.
William A. Mitch of Stanford University and his colleagues wanted to know how wastewater from fracking might influence disinfection by-product formation at downstream drinking water treatment plants. The researchers obtained two samples of wastewater from hydraulic fracturing operations in the Marcellus Shale in Pennsylvania. To simulate the chemical composition of what a drinking water plant might take in, they diluted the wastewater with water from rivers downstream of the shale operations to get samples containing 0.01 to 0.1% wastewater by volume. Then the researchers treated the samples with chlorine, chloramine, or ozone, just like at a drinking water plant.
Using mass spectrometry, they measured levels of a range of disinfection by-products and compared them with levels in treated river water without any fracking waste. In chlorinated samples containing as little as 0.01% wastewater, concentrations of trihalomethanes and haloacetonitriles were higher than those in treated, unaltered river water. Samples containing 0.1% wastewater had 70 to 140% higher levels of trihalomethanes, and concentrations of some of those compounds exceeded EPA limits. In ozone-treated water samples, levels of bromate, a potential carcinogen, were also above regulatory limits. The researchers also noticed that the fracking wastewater led to increases in levels of brominated and iodinated disinfection by-products, which tend to be significantly more toxic than their chlorinated analogs.
In an actual drinking water plant, the organic precursors to these compounds may be removed prior to disinfection, so the regulated by-products might be found at lower levels, the researchers write in the paper. But in 2010, the Pittsburgh Water & Sewer Authority measured a significant increase in trihalomethanes in drinking water (J. Am. Water Works Assoc. 2013, DOI: 10.5942/jawwa.2013.105.0093). The agency traced the problem to elevated bromide levels in the source water, which might have come from industrial wastewater treatment plants handling fracking waste.
The Pennsylvania Department of Environmental Protection has started to discourage fracking operations from sending their wastewater to municipal treatment plants in the state. Some of that wastewater has been diverted to Ohio for underground injection instead, though this disposal method raises concerns about induced earthquakes.
One solution to the disinfection by-product problem could be treating wastewater to remove excess halides, says Michelle L. Hladik, of the U.S. Geological Survey in Sacramento, Calif. She says the current study is useful for future studies on levels of the by-products leaving drinking water plants because it shows the relationship between the formation of the chemicals and the amount of added fracking wastewater.
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