Screening of microplastics in municipal wastewater treatment plants in Korea

국문 초록 (Abstract)

인간 활동에 의해 발생하는 생활하수를 처리하는 하수처리시설은 육상환경에서 미세플라스틱의 주요한 유입원으로 의심되고 있다.본 연구에서는 국내의 대표적인 하수처리시설 50개소를 선정하여 하수처리시설 유입수와 방류수를 대상으로 미세플라스틱의 검출수준을 파악하기 위한 모니터링을 수행하였다. 유입수에는 플라스틱 오염을 최소화 할 수 있는 철제용기와 유리병을 이용한 시료채취가 이루어졌고, 방류수 중 미세플라스틱 시료 채취의 경우 낮은 미세플라스틱 농도로 인해 1,000 L의 시료를 자체 제작한 다단계 체 (Sieve)를 이용해 여과하는 방법을 제안하였다. 광학 현미경 및 퓨리에-변환 적외선 분광기 (Fourier transform infrared spectroscope, FT-IR)을 사용하여 미세플라스틱을 정성분석하기 전에 습식 과산화법 및 밀도 분리를 사용하여 미세플라스틱 시료를 전처리하였다. 유입수에서의 미세플라스틱 농도는 10 ~ 470 L-1, 방류수에서는 이보다 훨씬 낮은 값으로 0.004 ~ 0.51 L-1 수준이었다. 농도의 분포패턴은 유입수와 방류수 모두 기하 정규분포와 흡사한 분포를 보였다. 유입수와 방류수에서 가장 높은 빈도로 검출된 미세플라스틱 재질은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌(PE) 순이었고 섬유형보다 부정형 미세플라스틱이 많은 비율로 검출되었다. 31개소 하수처리시설에서의 하수 처리공정 중 미세플라스틱의 제거 효율은 98.70~ 99.99 % 로 계산되었다. 또한, 인처리 공정이 있는 하수처리시설은 이러한 공정이 없는 처리시설보다 높은 제거 효율을 나타냈다. 지수법칙 (Power law) 는 100 μm 아래의 작은 입자에서는 적용되지 않았지만 100 μm이상 크기의 입자에서는 유입수와 방류수 모두 성립하였다. 본 국가수준의 모니터링 연구는 한국의 하수처리시설에서 현재 미세플라스틱의 수준과 특성에 대한 정보를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wastewater treatment plants (WWTPs) are suspected to be major point sources of microplastics in freshwater environments. To evaluate the occurrence of microplastics in Korean WWTPs, a nationwide study was conducted for the first time in 50 representative WWTPs with large treatment capacities. Grab sampling and laboratory filtration were used for influents, whereas in situ filtration using a custom-made sampling device was used for effluents. The filtrates were pretreated using wet peroxidation and density separation prior to identification of microplastics by using a dissection microscope and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR). Pooled analyses of the microplastics revealed that their major shape was fragment type, and thermoplastics and synthetic fibers were the dominant microplastic materials in WWTPs. The typical number concentration ranged from 10 to 470 L-1 in influents and 0.004 to 0.51 L-1 in effluents. The removal efficiency of microplastics during wastewater treatment was 98.7-99.99% in 31 WWTPs. In addition, WWTPs using advanced phosphorous removal processes showed higher removal efficiency than those not using any kind of these processes. Power law distribution was successful in detecting microplastic particle sizes down to 100 mm, although it was not applicable for smaller particles. This comprehensive monitoring study provides information on the current level and characteristics of microplastics in WWTPs in Korea.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 14
• 2. Materials and Methods 19
• 2.1. Municipal wastewater treatment plants 19
• 2.2. Sample collection 21
• 2.3. Isolation of microplastics from wastewater influents and effluents 23
• 2.4. Preventation of potential contamination 25
• 2.5. Spectroscopic determination of microplastics 26
• 2.6. Extraction recovery 28
• 2.7. Statistical analyses 30
• 3. Results and Discussion 31
• 3.1. Recovery of spiked plastic and laboratory control 31
• 3.2. Occurrence of microplastic particles in WWTP influents and effluents 32
• 3.3. Size distribution 39
• 3.4. Microplastics load to WWTPs 42
• 3.5. Removal effciency of fragment type microplastiwc particles in WWTP 44
• 4. Conclusion 45
• 5. References 47
• 6. Appendix 56