매년 출시되는 수천 가지의 새로운 화학물질, 오염 복잡성이 커지면서 바이오 고형물 안전하게 관리에 어려움 가중
PFAS 오염문제를 해결에 수십년 걸려…PFAS 화합물 해결 및 관리하기 위한 지속적인 노력 필요
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미국의 지역사회와 연방기관은 비료로 농지에 자주 살포되는 하수처리 슬러지에서 ‘영원한 화학 물질(Forever Chemicals)’인 PFAS(Per-and Polyfluoroalkyl Substances, 과불화화합물) 검출 위험성에 대해 경각심을 갖고 있다. 특히 미국 연방환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)은 이러한 관행이 인간의 건강을 위협한다고 2025년 1월 중순 경고했다.
한 달 후인 지난 2월, 텍사스 북동부의 존슨 카운티(ohnson County)는 하수슬러지로 인한 농장 내 PFAS 오염에 대해 비상사태를 선포했다.
일리노이대학교 어바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 일리노이 지속가능 기술센터(Illinois Sustainable Technology Center, ISTC)의 연구 과학자인 존 스콧(John Scott) 박사는 하·폐수처리 시설과 매립지에서의 PFAS를 연구하고 있다.
스콧 박사는 국제 학술지인 『종합환경과학(Science of the Total Environment)』 2024년 12월호에 ‘매립지 및 하·폐수처리 시스템의 미세플라스틱 및 PFAS(과불화화합물)의 현장 연구(Microplastics and per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS) in landfill-wastewater treatment systems : A field study)’라는 연구논문을 발표했다.
이 연구 논문의 주요내용을 소개하면, 매립지(Landfills)와 하수 및 폐수처리장(Wastewater Treatment Plant, WWTP)은 미세플라스틱과 PFAS를 포함한 많은 새로운 오염물질의 주요 원인으로 나타났다. 이전 연구에서는 매립지와 WWTP에서 미세플라스틱과 PFAS의 양과 운반량을 별도로 추정했다.
또한, 이전 연구들은 일반적으로 미세플라스틱 농도를 입자수(particle count)/L 또는 수(count)/g 침전물로 보고하며, 이는 질량 균형을 계산하는 데 필요한 정보를 제공하지 않았다.
그러나 존 스콧(John Scott) 박사 연구팀은 미국 일리노이주에 위치한 4개의 매립지와 WWTP 시스템에서 미세플라스틱과 PFAS를 측정하고, 매립지 침출수, 하수처리장 유입수, 방류수, 바이오 고형물(Biosolids)에서 두 오염물질의 질량을 정량화했다.
유입수의 미세플라스틱 농도는 매립 침출수와 비슷한 크기로 102㎍ 플라스틱/L(10억 분의 1, ppb) 정도였다. 반면, PFAS 농도는 WWTP 유입수(10억 분의 1 범위)보다 침출수(10억 분의 1 범위)에서 더 높았다.
처리 후 두 오염물질 모두 처리장 유출물의 농도는 낮았지만 바이오 고형물에는 풍부했다. 스콧 박사 연구팀은 WWTP가 PFAS와 미세플라스틱을 감소시켜 인근 지표수로 배출되는 유출물의 농도를 낮춘다는 결론을 내렸다. 그러나 바이오 고형물을 매립하거나 비료로 사용할 때 두 오염물질을 바이오 고형물로 분할하면 오염 물질로 다시 유입될 수 있다는 것을 밝혀냈다.
존 스콧(John Scott) 박사는 일리노이대학교 어바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 뉴스뷰로(News Bureau) 생명과학 편집자인 다이애나 예이츠(Diana Yates)와 이 문제에 대해 인터뷰를 했다. 그 내용은 다음과 같다.
최근 하수처리 시설과 매립지에서 PFAS에 대한 연구를 발표했다. 무엇을 발견했나?
우리 연구에서는 하수처리 시설의 두 가지 주요 투입물인 폭우(Storm Water) 및 위생 하수 시스템에서 나오는 하수 유입수와 매립 침출수의 PFAS 농도를 측정했다. 매립 침출수가 하수 유입수보다 PFAS 수치가 훨씬 높다는 것을 발견했다. 각각 10억 분의 1(parts-per-billion, ppb)과 1조 분의 1(parts-per-trillion, ppt)로 측정되었다.
그러나 매립지 침출수는 PFAS 농도가 높지만 하수처리장은 훨씬 더 많은 양의 유입수를 받는다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이는 하수 유입수가 이러한 시스템으로 유입되는 PFAS의 가장 큰 원인이라는 것을 의미한다.
존 스콧 박사 연구팀은 또한 하수처리의 두 가지 주요 결과인 방류수(Effluent), 액체(Liquids), 그리고 처리 과정에서 발생하는 고형 폐기물 부산물인 바이오 고형물(Biosolids)도 조사했다. 우리의 연구 결과에 따르면 하수처리 시설은 유입되는 물질에서 PFAS를 제거하는 데 효과적이지만, 이러한 화학물질들은 바이오 고형물에 집중되는 경향이 있다.
하수슬러지에서 PFAS 문제에 대해 우리가 얼마나 오래 알고 있었나?
바이오 고형물에서 PFAS의 존재는 꽤 오랫동안 알려져 왔으며, 2008년경에 발표된 여러 논문에서 이러한 화합물이 하수슬러지에 존재한다고 언급한 것을 기억한다. 바이오 고형물에서 PFAS의 존재는 인식되었지만, 초기에는 큰 주목을 받지 못했는데, 이는 일반적으로 10억 분의 1 범위의 농도가 상대적으로 낮았기 때문일 가능성이 크다.
그러나 PFAS를 잠재적으로 인간 건강에 악영향을 미칠 수 있는 것과 연관 짓는 연구가 증가함에 따라 이제 이러한 물질에 더 많은 초점을 맞추고 있다. 해결해야 할 핵심 질문은 “바이오 고형물에서 관찰되는 PFAS 농도가 생태계와 인간 건강에 위험을 초래하는가?”이다.
농경지에 하수슬러지를 살포하는 관행은 얼마나 널리 퍼져 있는가?
토양에서 바이오 고형물의 사용은 지역과 바이오 고형물의 특정 특성에 따라 다르지만 널리 사용되고 있다. 예를 들어 미국 중서부에서는 생산되는 바이오 고형물의 약 절반이 농경지에 사용된다. 이러한 물질의 사용을 규제하는 규정이 마련되어 있으며, 특히 병원체 감소와 비소(As), 카드뮴(Cd), 수은(Hg)과 같은 금속에 대한 제한에 관한 규정이 있다.
그러나 2021년 메인주(Maine)는 특히 PFAS로 인한 오염에 대한 우려가 커지면서 바이오 고형물의 토양 사용을 금지했다. 바이오 고형물의 PFAS를 규제하거나 토양 사용을 전면 금지하면 하·폐수 산업에 상당한 도전 과제가 될 수 있다.
문제는 환경 내 PFAS의 지속성으로 인해 제거나 감소가 어려워지고, 이는 하수처리 관행과 생물고체 처리 전략에 광범위한 영향을 미칠 수 있다는 점이다.
왜 우리는 여전히 이 오염을 농업환경 전반에 퍼뜨리고 있는가?
하수처리 시설은 바이오 고형물을 관리할 때 선택의 폭이 제한적이다. 이러한 물질을 매립하거나 소각할 수 있지만 두 가지 옵션 모두 상당한 비용과 환경에 미치는 영향이 크다.
바이오 고형물에는 질소(N)와 인(P)과 같은 귀중한 영양소가 포함되어 있기 때문에 육상 적용이 선호되는 경우가 많다. 그러나 바이오 고형물에는 다양한 다른 화학물질과 물질이 포함될 수 있기 때문에 이러한 접근 방식에는 위험이 따른다.
이러한 물질에 포함될 수 있는 모든 화학물질과 그 분해 산물을 철저히 조사하는 것은 거의 불가능할 것이다. 그리고 이는 오늘날 우리가 알고 있는 화학물질을 고려한 것일 뿐이다.
매년 시장에 출시되는 수천 가지의 새로운 화학물질은 어떨까? 화학물질 오염의 복잡성이 커지면서 바이오 고형물을 안전하게 관리하는 데 어려움이 가중되고 있다.
하수처리장에서 PFAS 축적 문제에 대한 해결책이 있나?
우선 시민들은 PFAS가 함유된 제품을 소비하는 것에서 벗어나야 한다. PFAS 생산을 단계적으로 중단할 수 있다면 고체 및 액체 폐기물에서 이러한 화합물의 존재를 줄이고 제거할 수 있다. 하수처리 시설이 PFAS 문제를 일으킨 것이 아니라, 산업계와 시민들이 도입한 PFAS를 관리하고 있다는 점에 유의하는 것이 무엇보다 중요하다.
그러나 대중에게 PFAS 문제를 알리는 것뿐만 아니라 소비하는 제품에 이러한 화학물질이 포함되어 있는지 여부를 판단할 수 있는 방법도 마련하는 것이 필수적이다. 기업에 PFAS가 포함된 제품에 라벨을 부착하도록 요구하는 것은 인식 제고에 있어 중요한 진전이 될 것이라고 생각한다.
또한 매립지 침출수에서 PFAS를 해결하기 위해서는 비용 효율적이고 실용적인 기술에 투자해야 한다. PFAS에 대한 더 나은 대안을 찾거나 완전히 제거할 수 있더라도, 우리는 여전히 수십 년에 걸친 기존 PFAS 오염문제를 해결하고 있다는 사실을 기억해야 한다. 이를 위해서는 앞으로 몇 세대에 걸쳐 이러한 화합물을 해결하고 관리하기 위한 지속적인 노력이 필요하다.
위험을 최소화하기 위해 또 무엇을 해야 하나?
오염원의 환경문제를 해결하는 것은 항상 가장 비용 효율적이고 효율적인 오염방지 방법이다. 그러나 병원균이나 PFAS와 같은 오염물질에 대한 바이오 고형물을 처리하면서도 수정 특성을 유지하기 위한 연구가 진행 중이다.
예를 들어, ISTC 연구 과학자인 웨이정(Wei Zheng) 박사는 바이오 고형물에 대한 특수 첨가제와 열처리 기술을 개발하고 있다. 그의 전략은 바이오 고형물의 문제가 되는 성분을 파괴하거나 물질 내에 고정시켜 식물에 흡수되거나 환경에서 도망가는 것을 방지하는 것이다.
이 분야에서 큰 진전을 이루었지만, 현재 그의 과제는 바이오 고형물 처리에 대한 수요를 충족하기 위해 공정를 확장하고 비용 효율성을 보장하는 것이다.
