물과 오염의 화학 | 수질 오염

자연계에서의 오염

바닷물은 수증기로 응결하여 강우로 내리지만 그 중에는 공기 중에 부유하는 고체 입자(분진)나 이산화탄소가 포함되어 있다. 따라서 도시 지역이나 공업지대에 내리는 강우(눈, 비 등)에는 대기 중에 포함된 탄소 입자, 탄화 수소류, SO₂, SO₃, NO₂, 및 중금속류 등의 여러 가지 유해 성분들이 용해되어 떨어지기 때문에 때로는 검은비라든지 산성비를 내리기도 한다. 해안지대에서는 대기 중의 소금입자 등이 강우에 용해되기 때문에 강우기에는 상당량의 염소 이온이 포함되어 있다. 또한 핵무기 실험이 행해진 후에는 방사성 물질이 용해되어 떨어지기도 한다. 자연계에서 얻어지는 수자원은 빗물, 지표수, 지하수, 심층수, 하천수, 강물 및 호수 등의 물을 포함하고 있다.

 

하천, 호수 및 지하수 등의 육지 안에 있는 물도 지역에 따라 여러 종류의 다른 성분들을 포함하고 있다. 우량이 많고 국토가 비탈진 우리나라의 일부지역(산악지대)이나 일본 지역에서는 하천의 길이가 짧고 유속이 비교적 빨라서 광물질을 적게 용해하기 때문에 단물(연수, soft water)이 많다. 그러나 대륙의 하천 물은 육지에서 체류하는 시간이 길기 때문에 탄산칼슘(CaCO₃), 황산칼슘(CaSO₄), 철염(FeCl₂, FeCO₃, Fe(OH)₂ 등) 등의 암석 성분을 많이 용해시킨다. 따라서 천연비누가 용해되기 어려운 센물(경수, hard water)이 대부분을 차지한다. 우리나라의 경우에도 암석지대의 물은 센물의 경우가 많고 또 황화철 등 철광 지대를 흐르는 물은 황화철, 수산화철 등의 colloid 입자들을 포함하기도 한다.

 

산성 온천이나 광천이 용출하고 있는 지역으로부터 유입된 하천의 물이나 토양은 산성화되었고, 이렇게 산성화된 물은 수력 발전이나 공업용수 등으로 사용할 수 없다. 그리고 물고기의 서식도 불가능하다. 우리나라는 온천이나 광천을 인위적으로 개발하지 않는 한 백두산 지역을 제외하고는 천연적으로 간헐천 등이 분출될 염려는 거의 없다. 그러나 일본은 간헐천, 자연 온천의 분출지역이 많아 이 지역에서 유입된 하천의 물은 산성(pH 3.5)을 나타낸다. 이런 의미에서 우리나라에서 무분별하게 이루어지는 온천수 개발이나 지하수 개발은 새로운 환경 파괴의 문제를 충분히 유발시킬 수 있다. 자연 현상으로 오염된 물은 다행히도 공기 중의 산소와 화학 반응을 하고 자연계 중에 존재하는 미생물 등의 분해에 의하여 자정 작용을 함으로써 정화된다.

 

 

인위적 원인에 의한 수질의 오염

인위적 원인에 의한 수질 오염은 광산 폐수, 화학 공업 배수, 농업 배수 그리고 도시의 생활 배수 등이 주요 발생원이라고 볼 수 있다. 특히 광산 폐수를 비롯한 화학공업 배수는 이들의 방지 대책이 시급히 요구되는 상황이다.

 

① 광산 폐수

광산 폐수는 분쇄된 광석의 입자가 colloid 상으로 배수와 함께 유출되어 하천을 오염시킨다. 그리고 광석 중의 중금속 일부가 물에 용해되어 하천, 호수 및 바다의 중금속 오염을 유발시킨다. 또한 광산의 중금속 폐석 및 광산 폐수에 의해서 수질계와 토양계에 심각한 환경 오염을 일으키고 있다.

산성비와 유사한 상태를 광산의 산성배수에서도 볼 수 있다. 석탄 광산 폐광에서 금속의 수산화물과 황산이 대량 누출되어 하천의 상류에 흘러 들어온다. 즉 석탄을 함유하고 있는 지질 중에 대량으로 존재하는 황화철(pyrite)은 물의 존재하에서 산화 반응이 일어난다. 그리고 수산화물인 Fe(OH)3와 황산이온인 HSO4-가 생성되어 하천의 액성을 pH 3까지 내려가게 만든다.

 

전체반응 (1) + (2) + (3) = (4)

 

 

황화철은 산소가 존재하지 않으면 안정적이다. 채굴로 석탄층이 공기 중의 산소와 접촉하면 (1)식의 산화반응이 일어나서 다량의 산이 생긴다. 이 반응은 채굴이 끝난 다음에도 오랫동안에 걸쳐 진행되므로 광산 부근의 많은 하천이 황산으로 오염되어 심각한 문제가 된다. 광산에서 산성인 물을 완전히 제거하려면 경비도 많이 들고 또한 기술적으로도 어렵다. 그러므로 광산에서 발생될 수 있는 환경 오염은 설계된 작업으로 출구에서부터 미리 제거시켜야만 한다.

 

② 화학공업배수

화학공업배수에 의한 수질 오염은 오래 전부터 막대한 환경 파괴를 일으키고 있다. 가장 심각한 수질 오염을 일으킨 산업은 제지공업의 pulp 폐액이었다. 한때 pulp 공업의 주체였던 아황산 pulp(SP)의 폐액은 BOD와 COD 증대의 주원인이었다. 폐액중에는 헤미셀루로스, 당류, 유기산 및 lignin 유도체 등이 다량으로 포함되기 때문에 수중의 용존 산소를 심각하게 소모시켜 어류를 멸종시킨다. 즉 부영양화 현상으로 넓은 수역의 어업권은 상실되고 수중 생태계는 파괴되며 호수는 늪지-사막화가 일어난다.

 

그래서 BOD와 COD 증대의 원인을 제거하는 공해 방지책을 위하여 SP 폐액처리에 대한 연구가 이루어졌다. 그 결과 전체 pulp 생산량의 상당량을 kraft pulp system으로 바꿔서 수질 오염물질의 양을 대폭 줄일 수 있었다. 그러나 이 경우 생성된 pulp의 색상이 백색으로 나타나지 않아 표백을 하지 않을 수 없었다. 그래서 kraft pulp system도 표백 후 폐수처리 문제가 아직까지 크게 문제되고 있다.

 

수돗물의 정수장에서 살균 소독제로 염소나 염소화합물(NaOCl)등을 사용하고 있다. 그러나 염소는 수중에 있는 유기물과 반응하여 유해한 유기 염소화합물을 생성한다. 미국환경보호청(EPA)이 미국 전국에 걸쳐 조사한 결과 거의 모든 수도가 chloroform으로 오염되어 있음을 알았다. 따라서 EPA는 음용수의 chlorform 규제값을 100ppb 이하로 제한하고 있다.

 

 

최근 조사에 의하면 ⅠC(집적회로)산업, 금속 기계부품의 세정제, 드라이크리닝의 용제로 널리 쓰이고 있는 trichloroethylene, terachloroethylene, 1,1,1-trichloroethane 등의 염소계 화합물들이 지하수를 오염시킨다고 한다. 이들 물질들은 발암성을 가질 뿐만 아니라 고농도 증기를 흡입하면 급성 독성작용을 일으키고 신경계에 침범하여 마비 현상을 일으킨다. 또 삼킬 경우에는 음식물을 토해내며 간장 독성작용을 유발하는 독성이 강한 물질들이다.

 

산업의 발전에 의해서 대량으로 사용하게 된 석유가 바닷물을 오염시키는 것도 큰 문제로 되어 있다. 석유탄화수소는 물과 잘 섞이지 않지만 바닷물 중에서는 약간의 용해성이 있다. 석유를 용해한 배수가 바닷물 중에 흘러들어 항만의 물을 0.1ppm 정도까지 오염시키는 현상이 일어날 수 있다. 이 정도의 석유 오염은 어류 그 자체에 직접적인 영향을 미치지는 않지만 식용으로 쓸 경우 석유 냄새가 강하게 나므로 상품적 가치를 떨어뜨린다. 대규모적인 오염으로서는 중유 tank의 파괴에 의해서 대량의 기름이 연안의 바다로 흘러들어와 바다오염을 일으키는 것이다. 또 세계 각지의 유조선들이 좌초, 충돌 등에 의하여 대량의 기름 유출사고를 일으키는 것도 환경 파괴의 원인이다.

 

바다로 유출되는 기름의 총량은 연간 약 천만 ton으로 추정하고 있다. 바다에 누출된 기름이 분산하면 휘발성의 성분은 증발한다. 그리고 남은 무거운 중질유는 asphalt 등으로 굳어져 소위 “기름 ball” 상태로 바다 위를 떠돌아다니면서 환경 피해를 불러일으킨다. 원유나 석유에는 해양 생물에 대하여 유독한 물질들이 많이 포함되어 있다. 그러나 과다한 기름의 누출만 없다면, 바다는 기름을 자연적으로 분해시킬 수 있는 능력이 있다. 이 자정작용은 열, 산화 작용 그리고 미생물의 분해작용에 의해서 일어난다.

 

③ 농업배수

우리나라의 단위 면적당 농약 사용량은 세계에서 가장 많은 나라에 속한다. 과거에는 벼의 살충, 살균 효과가 있는 초산페닐수은 등의 수은계 농약이 상당량 논에 살포된 적이 있었고 볍씨의 소독에도 수은계 농약이 사용되었다. 다행히도 지금은 이 농약의 사용이 금지되었다. 그러나 이미 살포된 수은이 토양에 잔류하고 있기 때문에 벼를 주식으로 하는 우리나라 사람들의 모발 중에는 수은 함량이 외국인에 비하여 수배에 이르고 있다. 비료로서 사용된 황산 암모늄도 그 황산기가 수질을 오염시키고 있다. 현재 농업 배수에 문제가 되는 농약으로는 DDT, BHC, 유기 염소계 농약, 비료 그리고 제초제 등을 들 수 있다.

 

④ 생활배수

생활배수와 관련된 도시하수, 지표수, 하천수들은 모두 기름 오염에 못지 않은 오염원이다. 특히 이들은 바다에서 제2의 오염물질을 만들 수 있다. 해저 유전 탐사 과정에서 이루어지는 굴착 작업도 심각한 오염을 야기시킨다. 해양에서 가장 생산성이 높은 영역은 강어귀 산호초, 대륙붕 같은 대륙에 가까운 부분으로서 이 영역에서는 우리가 먹는 대부분의 물고기가 잡힌다. 이와 같은 생산력이 높은 영역에 생활 배수의 유독물이 대량 유입되면 해양 전체의 생태계나 그곳에 살고 있는 물고기 무리에 심각한 영향을 미칠 것이다.

 

 

 

지하수 오염과 유해 폐기물

우리나라는 최근에 와서 수질이 좋았던 지하수가 유독성 화학 물질로 인하여 오염되고 있다. 그 결과 사람들은 건강에 피해를 주는 우물들을 봉쇄해 버리고 다른 공급원으로부터 물을 구하거나 또는 값비싼 정수과정을 이용해야만 한다. 이러한 오염으로 인한 위협은 점점 광범위해지고 있다. 지하수는 한번 오염되면 영원히 잃어버린다는 사실에 모든 사람들은 통감해야한다. 오염된 지하수의 정화는 지각을 통한 여과 방법 때문에 경제적으로나 기술적으로 실현 가능성이 낮다. 따라서 우리는 지하수가 오염되지 않도록 보호하는 방법을 강구하는 것이 필수적이다.

 

① 지하수 오염의 주요 발생원

지하수는 지표면의 물이 스며들어가 지각을 통하여 지하수면까지 침투해 내려가 고인 것으로 침투하는 동안에 박테리아와 미생물 그리고 각종 불순물이 걸러진다. 이것이 대부분의 지하수가 음용수로 적합한 이유이다. 그러나 토양의 여과 작용은 거의 모두 이온 또는 분자들을 거를 만큼 정교하지가 않다. 그리하여 강우로 인한 물은 용존 물질이 지각을 통해 침출될 때 오염 물질을 운반해 주는 역할을 한다. 일반적으로 매립지나 하수 처리장, 농장의 비료와 살충제 그리고 관의 누수 등으로 인하여 어떤 화학 물질들이 물에 녹아서 침출수를 따라 내려가 지하수를 오염시킨다. 이러한 사실을 고려해보면 지하수를 오염시키는 수많은 발생원이 있음을 알 수 있다. 가장 위협을 주는 유독성 화학 물질의 발생원은 아래와 같다.

 

∙ 부적절한 매립시설 또는 유독성 화학 물질을 처리시설 없이 마구 투기하여 생긴 침출수가 지하로 침투하는 곳

∙ 오염 물질들이 지하 저장 탱크나 수송관에서 누수 되는 곳, 특히 주유소 저장 탱크에서 휘발유가 새는 곳

∙ 농경지, 잔디밭 그리고 정원 등에 사용된 농약과 비료

∙ 도로에 뿌려진 제빙용 염화칼슘

∙ 먼지가 가라앉도록 도로에 뿌려진 과잉의 폐유류

∙ 운송 중 사고에 의하여 유출된 화학 물질

 

위의 모든 것들이 지하수 오염의 중요한 발생원이지만, 이중 화학 폐기물의 불법 투기와 부적절한 매립시설에 대한 처리 기술 부족이 가장 심각한 문제가 된다.

 

② 화학 폐기물

화학 폐기물의 주요한 발생원은 다음 세 가지로 설명할 수 있다. 첫 번째 발생원은 폐기물을 발생시키는 화학제품 제조공정이다. 예를 들면 광석은 금속으로 정련되어지고, 원유는 플라스틱류, 합성 섬유, 도포제, 농약, 의약품 등 수없이 많은 유기 합성 화학물질을 만드는 원료이다. 이런 물질들의 제조 과정들은 사용할 수 없거나 경제적으로 재 이용이 어려운 수많은 부산물들을 발생시킨다.

 

두 번째 발생원은 용제류, 세정액 또는 생산공정의 보조재 등으로서 이들도 사용 후 남은 것을 버리게 된다. 

 

세번째 발생원은 남은 화학물질이 그대로 담겨 있는 채로 폐기 처분된 빈 드럼통에 있는 잔류물 등이다. 이러한 발생원으로부터 발생된 화학 폐기물의 대부분은 유독성 물질이다. 그들은 폭발성, 산화성, 인화성, 부식성 등이 있고 사람에게는 유독성, 암, 기형아 출산, 기타 비정상적인 질병을 초래하는 물질들이다.

 

③ 폐기물질 매립장의 침출수

매립장에서 흘러나오는 침출수는 지하수를 크게 오염시키고 특히 산업 폐기물을 무단 투기하는 곳에서 훨씬 큰 오염문제를 야기시킨다. 화학공업에서 배출되는 폐기물들은 플라스틱, 살충제, 용제류 등 유기합성 화학물질들을 제조하는 과정에서 제품과는 다른 화학물질의 형태로 만들어진다.

 

이들 화학 폐기물 중 많은 것들은 할로겐화 탄화수소이며 이들은 독성이 강하고 발암성을 갖고 있다. 더욱이 이들은 매우 안정적이어서 먹이연쇄에 의하여 생체내에 축적되기 쉽다. 그럼에도 불구하고 이 유해 폐기물들은 그들의 유해성만큼 관심을 받지 못하고 있다. 대부분의 경우 화학공장에서 이러한 폐기물들을 강철드럼통에 담아 매립시설에 매립해 버리는 것이 현실이다. 이것은 20～30년 후 드럼통이 부식되면 큰 사고로 이어질 것이다.

 

이런 비극 중의 한 예로 러브캐널에서 일어난 사고를 들 수 있겠다. 러브캐널은 뉴욕 나이아가라 폭포 근처에 있는 버려진 운하 바닥으로 과거에 그곳은 수천 드럼의 화학 폐기물을 투기하던 장소였다. 그 운하가 모두 매립된 후에 많은 주택들이 세워졌고 주민들의 생활은 정상적으로 이루어졌다. 그러나 1978년에 러브캐널지구에 살고 있던 주민들은 비정상적으로 높은 비율의 유산, 기형아 출산, 간질환 기타 다른 질환 등을 겪고 있는 것을 알게 되었다. 또한 그들은 비가 온 후에 이상한 검은색의 화학 물질들이 땅으로부터 또는 지하실 벽을 통하여 새어나오는 것을 목격하였다. 그리하여 그들은 보건 당국에 이와 같은 현상을 조사해 달라고 요구하였는데 그 화학 물질들은 여러 종류의 독성이 강한 유기 염소계 탄화 수소물인 것으로 판명되었다.

 

지난 30년간 유기 합성 화학물질의 사용은 수배로 증가하였고 그에 따라 유해 폐기물의 발생량도 증가하였다. 이러한 폐기물 중 많은 양이 땅속에 매장되었고 현재도 그렇게 되고 있다. 1978년 미국 환경청은 폐기물 처분 지역의 90% 정도가 부적합하고 1,200～2,000개 지역에서 유해물질이 땅 속 지하수로 침출되고 있다고 보고하였다.

 

지하수는 우리들 모두에게 필요한 물의 원천이라는 것을 생각할 때 위와 같은 사항은 결코 바람직한 현상이 아닐 것이다. 1979년에 미국 환경청 당국은 유해 화학 폐기물 투기장을 정화시키는 즉 지하수 오염의 증가를 막는데 필요한 비용이 500억 달러 이상이 될 것으로 추산하였다. 그러나 이렇게 하여도 이미 오염이 된 지하수를 정화시킬 수는 없다. 특별한 처리 방법을 개발해 내지 않는다면 우리는 다만 지하수의 자정작용에 의하여 서서히 오염 물질을 씻어내어 주기를 기다릴 수밖에 없으며 그 시간은 수 백년도 걸릴 것이다.

 

폐기물질이 버려진 곳에 그대로 머무를 것이라는 생각으로 땅 속에 유해 폐기물질을 버리는 것은 머지 않은 장래에 엄청난 비극을 가져온다. 따라서 우리나라도 유해 물질을 버릴 때는 보다 안전한 대안들이 강구되어야 한다.

 

④ 핵 폐기물

우리가 핵 발전을 이용하여 필요한 전력을 더 많이 생산할수록 핵 폐기물 발생량은 증가하게 된다. 이들 핵 폐기물은 방사성 물질을 함유하고 있어서 기형아 출산 등을 초래하는 돌연변이나 암을 유발하게 된다. 어떤 핵 폐기물들은 그들의 방사능을 수십만년 동안 유지하고 있기 때문에 핵발전소의 안전성은 발전소 자체를 안전하게 운영하는 것뿐만 아니라 핵 폐기물들을 오랜 기간 동안 생물권으로부터 고립시키는 것도 중요하다.

 

정부와 핵 산업 분야의 전문가들은 핵 폐기물의 저장 장소와 이를 관리하는 기술에 만족하고 있다. 그러나 국민들은 핵 폐기물 안전 고립시설과 누출감시계획을 보장할 수 없다고 믿고 있다. 여기에는 인간의 실패 가능성이 있기 때문이다. 1973년에 워싱턴 주의 핸포드 핵 폐기물 저장시설에서 한 탱크가 새는 사고가 발생하였다. 그 사고는 탱크의 저장량이 줄어드는 것과 그것이 땅 속으로 스며들어간 것이 자동 감지기에 기록되었음에도 불구하고 6주간이나 발견하지 못하였다. 따라서 핵 폐기물의 안전한 처리 문제는 핵발전소의 건설에 반대하는 항의 시위의 원인이 되고 있다.

 

 

 

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