제7장 수질 오염

  생명과 직결되는 물의 보존을 위하여

      생명을 살리는 물과 죽이는 물
  우리 몸무게의 약 70%는 물로 되어 있다. 그만큼 물은 우리의 생명과 밀접한 관계를 가지고 있다. 따라서, 물의 오염은 생존을 위협하는 일이 될 수 있다.
  옛날부터 우리 나라는 물이 좋기로 소문난 곳이었다. 샘물을 그냥 떠서 음료수로 마실 수 있는 곳은 전세계적으로 몇 나라 되지 않는다. 서양에서 맥주와 각종 차가 발전한 것은 물을 그냥 마실 수 없기 때문에 가공해서 마시는 방법이 발전했기 때문이다. 하지만 이제는 우리 나라에서도 수질 오염은 점점 더 심각한 문제로 떠오르고 있다. 강물을 떠 먹을 수 없게 된 것은 이미 오래 전의 일이고, 이제는 수돗물도 안심하고 마실 수 없다는 이야기도 자주 들린다. 맑고 깨끗한 강물은 찾아보기 어렵고, 대부분의 강은 거품으로 가득 차 있고, 물고기 한 마리 살지 않는 죽음의 강이 되어 버렸다.
  물의 오염으로 인한 사건은 옛날부터 있었다. 옛날에는 강물을 별다른 정수 과정이나 소독 처리를 거치지 않고 그냥 마셨다. 하지만 강물에는 사람이나 가축의 배설물이 섞여서 흐르는 경우가 많았기 때문에, 강물이 장티푸스나 파라티푸스, 세균성 이질균에 의해서 오염되어 있는 경우가 많았다. 그래서 이런 오염된 물을 마신 사람들은 병에 걸렸다. 이런 병들은 병균들이 물을 매개로 해서 전염되었기 때문에 '수인성 전염병'이라고 부른다.
  아직까지도 우리 나라의 정수장에서 실시하는 상수 처리과정은 병원성 세균을 제거하는 것이 가장 큰 목적이다. 대부분의 나라에서는 위생적인 상수 처리 시설을 갖추기 위해 노력했고, 그 결과 수인성 전염병으로 인한 문제는 많이 줄어들었다.
  이렇게 병균이 없는 위생적인 수돗물이 만들어지기까지는 많은 과정을 거쳐야 한다. 각 가정에서 나오는 수돗물은 대개 강물이나 호숫물이 여러 가지 단계의 정수 과정을 거쳐서 나오는 것이다. 이 과정 중에서도 가장 중요한 단계가 정수 과정과 소독이다. 맨 처음 상수장으로 들어온 강물이나 호숫물 등에는 미세한 진흙 입자나 모래 입자를 비롯해서 각종 유기 물질과 병원균 등이 들어 있다. 이러한 물을 상수 처리장에 한꺼번에 모아 처리하는 것이다. 소독 과정 중에서 가장 일반적으로 쓰이는 방법은 염소 소독이다.
  그러나 이런 염소 소독 과정 중에서 새로운 독성 물질인 THM이 생긴다는 것이 밝혀졌다. 이 물질 중에는 마취제로 사용되는 클로로포름이 포함되어 있다. 그런데 이 클로로포름은 암을 일으키는 발암성 물질로 밝혀져서, 마취제로써의 사용도 오래 전에 금지되었다.
  염소를 사용해서 물을 소독하게 되면 반드시 THM이 생긴다고 할 수 있다. 왜냐 하면 아무리 깨끗하게 물을 걸러낸다 하더라도 거기에는 여러 가지 유기물질이 들어있기 때문이다. 이러한 유기 물질들이 염소와 반응하여 THM을 발생하게 된다. 그 반응 과정은 아주 다양해서 아직까지도 전체적인 반응 과정이 밝혀지지 못하고 있다.
  게다가 산업화가 진행되면서 또 다른 심각한 문제가 생겼다. 바로 합성 화학 물질에 의한 오염이다.
  대부분의 산업 활동에서는 물이 많이 사용된다. 그런데 물은 여러 가지 물질을 녹여 내는 특성을 가지고 있기 때문에 이런 오염 물질들이 물에 녹아 공장의 배출구에서 나와서 강물로 흘러들어가게 된다. 이렇게 화학 물질에 오염된 강물이 상수장에서 처리를 거친 다음 수도를 통해서 우리들에게 되돌아오게 된다. 아직까지 여러 가지 화학 물질을 전부 처리하는 방법은 개발되지 못했다.
  이렇게 물 속에 들어 있는 오염 물질들을 오랜 기간 동안 음료수로 먹게 되면 공해병이 생기게 된다. 공해병은 인간들이 만들어 낸 유해한 오염 물질 때문에 생긴 병이다. 공해병이란 말이 일반적으로 쓰이게 된 계기는 일본의 미나마타 병과 이타이이타이 병이었다. 이 병은 중금속으로 오염된 물에 의해서 일어난 환경 오염 사건이었다.
  미국 허드슨 강의 폴리클로리네이티드비페닐(PCB)의 오염 사건도 강물에 의해서 일어난 유명한 환경 오염 사건이다. 폴리클로리네이티드비페닐이란 물질은 화학적으로 매우 안정되어 있고, 전기를 잘 통하지 않는 액체이기 때문에 공업용으로 많이 사용되는 물질이다.
  그런데 사건이 일어난 허드슨 강은 주변 지역에 수돗물을 공급하는 상수원으로 이용되고 있었고, 양식 어업이 활발하게 행해지던 강이었다. 그러나 공장에서 배출한 폴리클로리네이티드비페닐에 의해 다시는 원상태를 회복하기 어려울 정도로 오염이 되었다. 따라서, 사람들은 이제는 더 이상 허드슨 강물로 만드는 수돗물을 먹을 수 없게 되었을 뿐 아니라 허드슨 강에서 잡히는 물고기도 먹을 수 없게 되었다.
  우리 나라에서도 공장에서 나오는 산업 폐수가 강물이나 바다로 흘러들어가서 양식장과 어장을 망친 사례는 일일이 꼽기도 어려울 정도이다. 아직도 그 원인이 밝혀지지 않은 온산의 공해병 역시 온산 공단에서 배출되는 산업 폐수가 원인일 것으로 추측되고 있다. 몇 년 전에 일어난 낙동강의 페놀 유출 사건도 산업 페수가 그대로 강물로 배출되어 일어난 사건이었다.

      수질 오염의 원인 물질들

  강물이나 호수로 흘러들어가 물을 오염시키는 물질은 크게 생활 하수, 산업 폐수, 농축산 폐수로 나눌 수 있다. 우리 나라에서는 생활 하수의 발생량이 가장 많아서 하루에 1000만t 가량이 발생하며, 산업 폐수는 하루에 5백78만t, 농축산 폐수는 하루에 약 9천t 정도가 발생하고 있다.
  생활 하수는 우리들이 집에서 쓰고 버리는 하수와 공장 사업장 등에서 배출되는 일반 하수를 가리킨다. 우리들이 집에서 사용하는 모든 물은 생활 하수로, 하수구를 통해 강으로 흘러들어간다.
  이렇게 해서 발생하는 생활 하수에 들어 있는 오염 물질 가운데 가장 대표적인 것으로는 유기 오염 물질을 들 수 있다. 본래 유기물이란 생물체를 이루는 물질을 가리킨다. 가정에서 배출하는 유기 오염 물질의 예는 음식 찌꺼기나 사람의 배설물 등이다.
  강물 속에 들어 있는 유기 물질의 양을 나타낼 때에는, 모든 사람들이 오염의 정도를 알 수 있도록 하기 위해 'BOD'라는 단위를 사용한다. 유기 물질들이 강으로 흘러들어가면 썩게 된다. 즉, 미생물에 의해서 분해가 되는 자정 작용을 거치게 된다. 그런데 미생물이 유기 물질을 분해하기 위해서는 산소가 필요하다. BOD는 바로 물 속에 녹아 있는 오염 유기 물질들을 분해하기 위해 미생물들이 사용하는 산소의 양을 의미한다. 그러니까 BOD 값이 커질수록 미생물들이 분해해야 할 오염 물질이 많이 있다는 이야기가 된다. 즉, BOD 값이 커질수록 오염이 심한 상태라고 생각하면 된다.
  이와 비슷한 단위로는 'DO'라는 것도 있다. 이것은 물 속에 녹아 있는 산소의 양을 뜻한다. 산소는 사람들에게만 필요한 물질이 아니다. 물 속에서 사는 물고기나 물 속의 유기 물질들을 분해해서 물을 깨끗이 만드는 미생물들도 산소를 마시며 살아간다. 따라서, 산소가 없는 물에서는 생물들이 살아갈 수 없다. 물고기도 물 속에 산소가 없어서 숨을 쉴 수 없게 되면 물에 빠져 죽게 되는 사태가 벌어진다.
  하수 속에 유기물이 너무 많으면 미생물들이 유기물을 분해하는 과정에서 물 속의 산소를 전부 다 써 버리게 된다. 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있는 악취가 풍기는 더러운 하천들은 산소가 없어 생물들이 모두 죽어버린 지 오래인 하천들이다. 이런 하천에서는 미생물조차 살 수 없어 자정 작용도 일어나지 못한다.
  생활 하수에는 유독성이 심한 물질이 섞여 있지 않지만, 유기물을 대량으로 배출하게 되면 여러 가지 문제를 일으키게 된다. 그래서 생활 하수는 하수 처리장에서 처리를 거친 후 강물로 흘려 보내야 한다.
  농축산 폐수는 생활 하수나 산업 폐수에 비해 그 양은 상대적으로 매우 적으나, 동물의 배설물을 비롯해서 고농도의 유기 물질이 섞여 있기 때문에 적은 양으로도 큰 피해를 일으킨다.
  가장 문제가 되는 산업 폐수는 생활 하수에 비해 양은 적지만 고농도의 오염 물질이 포함되어 있다. 또한 여기에는 독성이 매우 강한 물질들이 많이 함유되어 있다. 우리 나라 뿐 아니라 외국의 경우에도 주요한 화학 물질 오염에 의한 인명 피해나 생태계 파괴는 모두 산업 폐수가 원인이 되어 발생한 것으로 밝혀지고 있다.
  따라서, 산업 폐수는 반드시 완벽한 처리를 거쳐 강이나 바다로 배출되어야 한다. 때문에 이미 오래 전에 산업 폐수 문제로 홍역을 치른 일이 있는 선진국들에서는 산업 폐수를 가장 중요한 오염원으로 생각하고, 관리에도 가장 많은 신경을 쓰고 있다.

      물을 살리는 과학

  점점 심해져 가는 수질 오염의 처리에 있어서 여러 가지 과학 기술이 응용되고 있다.

    생분해성 계면 활성제
  생활 하수 속에 들어 있는 오염의 원인 물질에는 유기 오염 물질 외에도 가정과 공장에서 배출되는 계면 활성제를 들 수 있다. 계면 활성제는 합성 세제의 주성분이다.
  그런데 이런 계면 활성제에는 다량의 인 성분이 포함되어 있다. 인 성분은 물 속에 사는 작은 생물들에게는 꼭 필요한 영양 물질이다. 그런데 이런 영양 물질의 양이 지나치게 많아지면, 이것을 먹고 사는 미생물들이 폭발적으로 늘어나서 물 속의 산소를 모두 써 버리기 때문에 산소 부족으로 강물의 생태계가 파괴된다.
  계면 활성제에는 독 성분이 포함되어 있어 강에서 서서히 분해가 이루어지면서 강물 위에 막을 형성하기 때문에 물 밖에 있는 산소가 강물 속으로 녹아들어가는 것을 막아 수질 오염을 유발시킨다. 만약 계면 활성제가 섞인 강물이 다시 상수원으로 사용된다면 분해되지 않은 계면 활성제를 우리가 다시 마시게 되는 셈이다.
  이런 계면 활성제의 피해를 막기 위해서 등장한 것이 생물공학 기술을 이용해서 만든 '생분해성 계면 활성제'이다. 이 계면 활성제는 우리 나라에서도 이미 시판되고 있다.

    산업 폐수 정화에 이용되는 역삼투법
  산업 폐수에서 나오는 주된 환경 오염 물질 중의 하나가 도금 공장에서 나오는 도금에 사용되었던 다양한 화학 물질과 세척수이다.
  세척 과정을 거친 후 발생하는 폐수를 적절히 처리하지 않고 흘려 보내게 되면 독성이 강한 중금속 등이 나와서 생태계에 피해를 끼친다.
  또한 이런 폐수가 생물학적인 폐수 처리 공정에 섞여 들어가면 폐수를 분해하는 미생물의 활동력을 떨어뜨리기 때문에 처리 효율을 저하시킨다.
  한편 도금 제품을 세척하는 과정에서 발생한 세척 폐수에는 다시 회수해서 사용할 수 있는 중금속과 여러 가지 화학 물질이 함유되어 있다. 따라서, 자원의 낭비를 막기 위해서라도 적절한 처리를 통하여 이들 물질을 다시 회수하는 공정이 반드시 필요하다.
  현재 도금업체에서 나오는 폐수 처리에 널리 이용되는 방법은 역삼투법이다. 역삼투법은 삼투 현상을 이용하는 것인데, 삼투 현상은 물질이 농도가 높은 쪽에서 농도가 낮은 쪽으로 흘러들어가는 현상이다. 역삼투법은 농도가 서로 다른 용액을 반투성 막으로 분리시켜 놓고 농도가 높은 쪽에 삼투압을 이길 수 있을 정도로 압력을 걸어 주면 삼투 현상과 반대의 현상이 생기며, 용매와 용질이 분리된다. 이 현상이 역삼투이다.
  역삼투법에 의하면 종류에 따라 중금속을 95% 이상 회수하여 재사용할 수 있다고 한다.

    생태학을 이용한 폐수 처리
  폐수 처리에는 공학적인 기술만 이용되는 것은 아니다. 오히려 처리 과정에서 많은 에너지가 들어가고 2차 오염이 우려되는 공학적인 방법보다는, 자연에서 벌어지는 자정 작용을 이용한 생물학적 처리가 더 완벽한 방법으로 각광을 받기도 한다.
  생물학적 처리에서는 자연의 정화 작용을 본따 인공적인 바이오 시스템을 만들어서 폐수를 정화한다. '폭기조'라 불리는 장치에 폐수를 담고 여기에 산소(공기)를 불어넣으면 미생물이 먹이가 되는 유기 물질을 소비하면서 번식하게 된다. 이어서 미생물과 폐수의 혼합액을 다음 단계의 침전조로 보내 먹이를 먹어 무거워진 미생물을 완전히 가라앉힌 다음 물을 방류하면 환경에 영향을 미치지 않게 된다. 가라앉은 미생물들을 다시 폭기조로 옮겨서 유기물을 계속 먹어 치우도록 한다. 여기서 미생물의 군집을 '활성 오니'라고 부르며 이런 방식의 폐수 처리 방식을 '활성 공정'이라고 한다.
  그러나 이런 처리 공정은 처리 시간이 너무 짧고 미생물들이 오염 물질을 완전히 제거하지 못한다는 단점이 있다. 그래서 이제까지 하수 처리에서 이용된 폭기조를 대신할 방법으로 생각되고 있는 것이 자연에서 벌어지는 자정 작용을 고스란히 옮겨 놓은 생태적 오수 처리이다. 이것은 인공적으로 늪지를 만들어서 미생물의 자연 정화 능력을 극대화시키는 것이다.
  그러나 생태적 오수 처리에도 문제는 있다. 만약 늪이 갖추고 있는 자연 정화 능력을 넘어선 하수가 흘러들어갈 경우 이 인공 생태계는 파괴되고 만다. 더욱 문제가 되는 것은, 날마다 몇 억 t이나 배출되는 대도시의 오염된 물을 미생물의 정화 속도에 맡겨 처리하기에는 시간이 너무 많이 걸린다는 점이다. 또한 그 정도로 많은 물을 처리하려면 엄청나게 넓은 인공 늪이 필요한데, 그만큼 넓은 공간을 마련하기란 쉽지 않다.
  아직까지는 이러한 문제를 안고 있지만 인공 늪지는 자연의 힘을 이용한 경제적인 하수 처리 방법으로써 교외나 농촌에 보급될 수 있다.
  이런 생태적인 처리 효과를 증대시키기 위해서 요즘은 적극적으로 독물질을 분해할 수 있는 유전자를 가지고 있는 미생물인 '슈퍼버그(슈퍼 미생물)'를 생물 공학적 방법을 통해 만들어 내는 방법이 연구되고 있다.

    햇빛을 이용한 하수 처리
  태양 에너지로 독성 물질을 분해하는 이 방법은 우선 오염된 물을 반도체 광촉매로 코팅한 유리관 속으로 통과시킨다. 한 번 태양열을 모으는 집열기와 우산처럼 생긴 파라볼라형 거울통이 태양빛을 모아 유리관에 쬐여 준다. 이 때 자외선이 촉매에 비추면 물 속의 산소와 반응, 산화제를 만들어서 오염 물질의 화학 결합을 부추겨 오염 물질을 분해한다.
  태양광 촉매 해독 장치라고 하는 이 공정은 유기 폐기물을 이산화탄소, 물, 그리고 묽은 산으로 분해한다. 이 방법은 종래보다 비용이 5배나 많이 드는 게 흠이지만, 기술이 더욱 개발되면 점차적으로 비용이 떨어질 것으로 기대되고 있다.

    수질 오염을 걸러내는 미생물과 해조
  미생물 중에는 이를테면 미세한 걸레와 양동이를 가지고 있는 청소부도 있다. 그래서 과학자들은 이런 미생물에게 석유 유출과 산업 폐기물로 오염된 물을 깨끗하게 정화하는 일을 시킨다.
  슈도모나스라는 이름을 가진 녹농균의 일종인 토양 박테리아 중에는 거의 전적으로 석유를 먹으며 자라는 종류도 있다. 이 박테리아들은 무거운 탄수화물을 쪼개어 메탄과 같은 가벼운 기체로 만드는데, 이 기체는 곧 증발된다.
  이 박테리아는 또 기름 방울과 결합한 효소를 분리시켜 주고 기름과 물은 안정된 유체, 즉 우유 모양의 물체를 만든다. 이 효소는 석유를 지방산으로 바꾸는데 이것은 바다 생물들이 먹을 수도 있다.
  또 어떤 종류의 박테리아는 독성을 가진 화학 물질을 덜 위험한 물질로 바꿔 버리기도 한다. 그러나 이런 미생물도 중금속을 만나면 고전을 면치 못한다. 수은과 우라늄과 같은 중금속의 이온, 즉 전기를 가진 원자들은 박테리아의 세포벽과 결합해서 심한 피해를 입힌 끝에 죽여 버린다.
  박테리아는 중금속에 약하지만, 그들의 사촌쯤 되는 해조류, 즉 바닷말을 이용하면 중금속 분해에 성공할지도 모른다. '알가소브'라는 이름을 가진 해조를 이용한 물질이 중금속을 제거하기 위해서 만들어지기도 했다.
  과학자들은 건조제의 일종인 실리카겔 층 속에 해조를 다져 넣고 그 틈으로 물을 흐르게 했다. 이 때 해조의 세포벽은 물 속에서 중금 속의 이온을 가둬 버린다. 최근의 실험 결과에 따르면 이 물질을 이용하면 지하수 속에 있는 수은과 우라늄의 양을 10억 분의 1 이하로 줄일 수 있다는 것이 밝혀졌다.
  이 물질은 이 밖에도 여러 가지 일을 할 수 있다.
  폐기물 처리장에서 나오는 유독한 물질들은 종종 지하수 속으로 스며드는 일이 있는데 특히 우라늄이나 플루토늄을 포함하고 있는 핵 폐기물이 흘러들어간다면 처리하기가 매우 어렵게 된다. 이런 경우에도 '알가소브'는 지하수 속에서 핵물질을 걸러낼 수 있을 것이다.

    자석을 이용한 폐수 처리
  폐수 중에서 부영양화를 일으키는 인산염이라는 화학 물질은 언제나 문제가 된다.
  보통 폐수 처리 공장에서는 폐수를 침전 탱크에 가둬 두고 일부의 인 물질을 침전시켜 다른 오염 물질과 함께 처리한다. 나머지는 폐기물을 먹는 박테리아가 처리해 버린다. 그러나 인은 박테리아가 즐기는 먹이가 아니기 때문에 대부분 그대로 남아 있게 된다.
  이 방법은 폐수 속의 오염 물질은 우선 박테리아로 제거한다. 이 물은 처리장을 떠나기 전에 또 하나의 정화 단계를 거치게 된다. 염화철이나 석회와 섞어 주면 녹아 있는 인과 결합해서 덩어리가 된다.
  다음 단계로 자철광으로 만든 가루와 폴리머를 이 혼합물에 섞어 주면 자철광은 인과 묶이게 된다. 이 혼합물은 강력한 도넛 모양의 자석이 들어 있는 방으로 들어가고, 자석은 인과 묶인 자철광을 뽑아 내게 된다.