▲ 히로아키 타나카(Hiroaki Tanaka) 교토대학교 공학대학원 환경품질관리연구센터 교수

일본과학기술진흥기구(Japan Science&Technology Agency)의 CREST 프로젝트인 ‘21세기형 물순환시스템 확립을 위한 물 재이용 기술의 개발 및 평가’에 대해 소개하겠다. 

 기존 20세기형 물 시스템의 문제점으로는 장거리 물 수송을 위한 에너지 요구량, 대규모 취수로 인한 불충분한 하천유량, 폐수 배출의 집중화로 인한 수질 악화, 원수(source water) 안전의 위협, 미량 화학물질(trace chemical) 및 병원체 오염, 수중 생태계(aquatic ecosystem)에 대한 악영향 등을 들 수 있다.

 지구온난화 영향과 대책에 따라 건전한 물 환경이 요구된다. 혁신적인 도시 물 순환을 확립해, 건강·환경 위험과 물 순환을 위한 에너지 소비의 감소를 모색해야 한다. 도시 물 순환은 20세기형에서 21세기형으로 패러다임 전환을 필요로 한다.

 20세기형 도시 물 이용 시스템은 대량 취수된 하천수가 수처리시설을 거쳐 균일한 수질의 물로 도시에 공급된다. 사용된 물이 하수처리시설을 거쳐 완전 처리된 물로써 배출되는 단일 패스의 물 이용(One Pass Water Use)이다. 

 그에 반해 21세기형 도시 물 순환 시스템은 계단식 물 이용(Cascaded Water Use)으로 고객 맞춤식 수질을 공급한다. 새로운 수처리시스템으로 처리된 물이 도시에 공급되고, 사용된 물은 요구 수질에 따라 고도하수처리시설에서 오염 배출물을 감소시킨 후 농업용수, 오락용수나 세탁용수, 화장실용수 또는 정원용수, 공업용수, 세차용수 등으로 재사용되고 슬러지는 다시 하수도로 들어간다. 이 시스템은 요구 수자원을 줄여주고 물 환경을 회복시킨다. 

 새로운 수처리기술은 막여과, 오존 처리와 그것들의 혼성(hybridization) 기술로 구성된다. 막, O3&AOP 등을 포함한 새로운 수처리 기술의 개발로 단일 패스 물 재이용 시스템에서 계단식 물 재이용 시스템으로 이행한다. 이 해법은 수질 개선과 에너지 절감의 이익을 가져다준다. 

 많은 단위과정 조합들이 상이한 수원들로부터 물 재이용을 위해서 다양한 물을 생산할 수 있다. 하천수, 호소수, 하수, 하수처리수 등이 화학에 의한 혁신, ‘TORAY’로써 전처리, 정밀여과(MF)·한외여과(UF)막, 나노여과(NF)·역삼투여과(RO)막 등을 거치거나 METAWATER에 의한 O3 처리, 응집(coagulation), 막 등을 거쳐 처리된다. 이렇게 처리된 물은 간접 음용수(indirect potable water), 오락용수, 정원용수, 농업용수, 공업용수 등으로 사용된다. 

 새로운 수처리시스템은 처리수의 처리성능, 위해성 및 사용을 검사한다. 장내 바이러스 등의 병원체를 모니터링하고 그 위해성을 평가하며, 병원체의 불활성 기전을 식별한다. 물 재이용 관련 일반 항목들, 불소화 유기화합물(fluorinated organic compound), 생물활성 화합물(EDCs, 타미플루 등의 제약 포함) 등의 100가지 이상의 화학물질을 모니터링하고 인간 및 생태계에 대한 위해성을 평가한다. 

 조류(algae), 갑각류, 어류 등을 이용해 생태 위해성을 평가하고, 메다카 미세배열(Medaka microarray) 등을 이용해 독성을 평가하며, 다양한 종으로부터 유도된 ER들을 사용하여 보고유전자검정(reporter gene assay)을 실시하는 등 수중 유기체 및 인간에 대한 독성·위해성 평가를 한다. 

 

[그림1] 수처리 기술, 유기막(Organic Membrane). 3개 사례를 살펴볼 때, 원수가 사례(1)은 1차 처리수이고 사례(2)와 (3)은 2차 처리수이다. 사례(1)은 배출되고는 사용이 제한되고, 사례(2)는 제한 없는 농업용이며, 사례(3)은 제한 없는 도시용이다. 사례(1)과 (2)는 응집과 UF를 거치고, 사례(3)은 응집, UF, RO를 거친다. 예비연구(pilot test)가 일본의 오츠(Otsu)(왼쪽)와 오키나와(Okinawa)에서 있었다.

 하천수, 하수처리수, 생하수(raw sewage), 등에서 파울링(fouling)과 소독부산물(DBPs)을 초래하는 원수의 자연유기물질(NOMs) 등에 기초해 수질 특성을 해석한다. 도시 물순환 시스템의 대안으로 새로운 처리시스템을 적용함으로써 에너지 및 환경 편익을 포함한 통합적 평가를 실시한다. 

 새로운 처리시스템은 유기막과 무기막의 막 공정(membrane process)을 갖고 O3 및 AOP 등과 재래식 공정이 결합한다. 인체건강과 환경 위해성을 평가해 간접 음용수, 오락용수, 정원용수, 농업용수, 공업용수 등의 적절한 용도로 사용한다. 

 물 재이용 및 노출 시나리오는 다음과 같다. 원수의 병원체 농도와 재이용 및 환경 공정의 감소를 평가해 병원체별 인체 위해성을 평가한다. 정량적 미생물 위해성 평가(QMRA, Quantitative Microbial Risk Assessment)로 장애보정손실연수(DALY, disability adjusted life year)를 계산한다. 요구 감소, 변동, 운영실태 등 HACCP에 기초하여 물 재이용의 위해성 관리를 한다. 

 화학물질별 인체 위해성 및 수중 생태계 위해성은 다음과 같이 평가해 수질 목표를 세운다. 개별 화학물질들은 기존데이터 초기값을 유해지수(HQ, Hazard Quotient)로 스크리닝해 초기 위해성 평가를 하고, 모니터링 등을 통해 정량적 위해성 평가를 함으로써 세부 위해성 평가를 한다. 

 전체 독성 평가는 유전자 발현 분석(gene expression profiling), medaka DNA 배열 분석, 예를 들면 에스트로겐 활성(estrogenic activity)과 같은 보고유전자검정(reporter gene assay)과 전통적 생물학적 검정들(conventional bioassays)을 통해 이루어진다.

  미국연방환경청에 의하면 10-4감염/년에 해당하는 음용수 안전도를 만족하는 재이용 공정의 바이러스 감소가 요구된다. 캘리포니아주 물 재이용 기준은 완전처리이다. 2차 처리수를 PAC와 폴리머로 응집하고 모래 여과한 후 소독(염소, UV)을 거쳐 제한 없이 재이용된다. 

 10-6DALY에 해당하는 안전도를 보장하는 재이용 과정의 바이러스 감소가 요구된다. WHO는 인구 100만 명당 1DALY가 음용수 및 농업관개수의 허용가능치라고 추정한다. 여기서 DALY는 Disability Adjusted Life Years(장애보정손실연수)를 의미하고 이는 YLD(Years Lived with Disability, 장애생활연수)와 YLL(Years of life lost, 손실수명연수)의 합과 같다.

[그림 2] 2차 처리수 응집 + 유기막 예비연구의 기본 흐름. 2차 처리수를 MS2 파지의 PAC로 응집 전처리, UF 여과하고 필요할 경우 후처리한 다음, 농업용으로 사용한다. 한외여과에는 내이화학성이 뛰어난(high physicochemical tolerant) PVDF 중공사막(hollow-fiber membrane)이 사용된다. 오츠와 오키나와의 경우, 맞춤식의 물 재이용 시스템 설계가 필요하다.

화학적 위해성은 인체 환경 위해성과 생태 위해성(특히 수중)을 평가한다. 초기 평가는 단순 시나리오와 문헌·초기값을 사용한다. 추정인간섭취(Estimated Human Intake), 예측환경농도(Predicted Environmental Conc.)와 같은 노출 평가와 기준노출량(ADI/TDI, 허용섭취량·섭취한계량) 및 예측무영향농도(Predicted No-Effect Conc.) 등의 영향 평가를 한다. 예를 들면, 유해지수(EHI/RfD, PEC /PNEC) 등을 계산한다. 

 HQ >1의 기준으로 우선 물질을 선별하고 세부 평가를 한다. 세부 평가는 세부 시나리오로써 모니터링하고, 독성을 평가하고 정량적 위해성 평가를 수행한다. 전체 ‘재이용된 물’ 독성의 평가를 medaka DNA 미세배열 분석과 같은 유전자발현분석, 에스트로겐 활성과 같은 보고 유전자 검정, 전통적인 생물학적 검정들(예를 들면, 조류, 물벼룩, 어류, 박테리아) 등을 통해 수행한다. 수질 목표(또는 표준/기준)에 비추어 재이용 물의 사용을 위한 시나리오들을 개발하고 수처리기술을 개발한다. 위의 과정들은 상호보완적이다. 

 영향 정보의 출처는 음용수·관개수·수처리 기구의 수질 표준(예를 들면, 일본, WHO, USEPA, 캐나다, 네덜란드 등), 『위해성 평가 보고서(일본, OECD, USEPA, EU 등)』, 데이터베이스(USEPA의 ECOTOX)와 과학 논문이다. 노출 정보의 출처는 PRTR 정보(신고제외대상 포함 하수로부터의 추정 배출량), 하수처리장의 통계(하수 유량), 과학 논문 등이다. 

 세부평가를 위한 우선물질 후보는, 인체건강 위해성의 경우에는 1,6-dinitrotoluene, 1,3-dichloro-2-propanol 등과 같은 한정된 유기물질이고, 수중생태계 위해성의 경우에는 계면활성제(예를 들면 LAS, APEs), PPCP(Clarithromycin, Azithromycin, Levofloxacin, Triclisan, Ofloxacin, Erithromycin, Roxithromycin, Propranolol, Fenoprophen, Ketroprofen), 중금속(아연), 제초제, 살충제 등이다.

 

무기막(Inorganic Membrane)과 오존/AOP 기술 

 무기막과 오존/AOP 기술은 오츠 하수처리장의 1차 처리수와 2차 처리수를 연구했다. 2차 처리수는 오존처리/AOP 후 응집을 거치거나 거치지 않은 채 세라믹 막 여과(MF, ceramic membrane filtration)를 하여 오락용수, 플러싱 용수 등으로 사용된다. 하수(1차 처리수)는 세라믹 막 여과와 오존처리를 거쳐 식재 관수(plant irrigation), 조경용수 등으로 사용된다. 세라믹 막 여과의 구멍 크기는 0.1㎛이다. 

 2차 처리수의 경우, PAC+CMF/O3가 바이러스 위해성 감소에 필요하고 효과적이다. 생태 위해성과 에너지 결합의 유해지수(HQ)는 Σ59PPCP 농도를 NOEC로 나눈 것과 같다. 만일 HQ가 1보다 작을 경우에는, 어떤 부작용도 예상되지 않는다. 각 화학물질의 독성이 부가적일 경우, ΣHQi<1은 모니터된 모든 화학물질이 어떤 영향도 미치지 않음을 나타낼 것이다. 2차 처리수의 경우, O3가 생태 위해성 감소를 위해 필요하고, pre-CMF는 효과가 작다.  

[그림 5] 1차 처리수 응집+유기막 예비연구의 기본 흐름. 1차 처리수를 MS2 파지의 PAC로 응집 전처리. UF 여과하고 필요할 경우 후처리한 다음에 재이용한다. 한외여과에는 내이화학성이 뛰어난 PVDF 중공사막이 사용된다. 1차 처리수의 직접 처리는 SS, E.coli 및 MS2 항목에서 99.8 이상의 제거율을 보였다. 0.5m/d 플럭스의 안정적인 운영이 일본의 배출 규제를 만족시킨다.

 1차 처리수의 경우, O3가 바이러스 위해성 감소를 위해 필요하고 pre-PAC+CMF가 효과적이다. 유해지수(HQ)는 Σ59PPCP 농도를 NOEC로 나눈 것과 같다. 만일 HQ가 1보다 작을 경우에는 어떤 부작용도 예상되지 않는다. 각 화학물질의 독성이 부가적일 경우, ΣHQi<1은 모니터된 모든 화학물질이 어떤 영향도 미치지 않음을 나타낼 것이다. 1차 처리수의 경우, O3가 생태위해성 감소를 위해 필요하고 pre-CMF가 효과적이다.