상수원에서의 병원체 거동 및 관리 방안에 대한 연구 = Pathogens behavior in water sources and research on management measures

국문 초록 (Abstract)

급속한 인구 증가와 산업발달로 인해 물 사용량과 배출되는 오염 부하량 및 오염원 종류 역시 함께 증가하고 있다. 하수처리장 미처리 하수의 수계 유입은 잔류 항생제, 항생제 내성 유전자, 병원성 박테리아 등으로 인한 잠재성에 의해 인근 유역의 건강과 환경 안전을 위협하고 있다. 기온상승과 같은 환경변화로 인한 지구온난화는 환경으로 배출된 잔류 항생물질과 항생제 내성균들의 내성유전자 전파를 촉진한다.
본 연구의 대상인 팔당호에 대해서는 2008년부터 오염총량제를 통한 오염부하량의 관리와 수질검사항목에 따른 감시가 이루어지고 있다. 그러나 기존 수질검사는 화학적 항목에 초점이 맞춰져 있어 감염성 병원체 및 항생제 내성 유전자와 같은 미량오염물질에 대해서는 시행하지 않는 등 생물안전성에 대한 연구가 부족한 실정이다. 또한, 기존의 농도 규제 방식은 공공수역인 하천의 수질관리에 있어서 수용할 수 있는 오염물질의 부하량을 고려하지 않아 오염원이 비교적 적은 상류 유역에서 지나치게 엄격하고, 과도하게 밀집한 중하류 유역에서는 오히려 관대한 규제가 될 수 있다는 문제가 있다 (Kim et al., 2009).
본 연구에서는 팔당호 상류 지역(경안천, 양화천, 복하천, 청미천)의 배출 부하량을 산정하여 BOD, T-P 농도를 통해 수질 오염정도를 확인하였고, 하수 역학 기반 감염병 감시체계를 적용하여 팔당호에 영향을 끼칠 수 있는 감염성 병원체(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2; SARS-CoV-2, norovirus, human influenza virus A, 항생제 내성 박테리아)를 연구 대상으로 선정하여 이들의 거동을 파악하였다. 연구 수행 결과 팔당호 상류부터 상수원인 팔당호에 이르기까지 하천에서의 항생제 내성균은 1×105 copies/L 수준으로 검출되었고, 하수처리장 유입수에서는 1×108 copies/L, 방류수에서는 1×103 ~ 1×106 copies/L 수준으로 검출되었다. 팔당호 상류 배출부하량 산정 결과 남한강 유역의 BOD 부하율은 약 20884 kg/d, T-P 부하율은 약 1055 kg/d로 측정되었고, 팔당호의 수질개선을 위해 가축분뇨에 대한 관리가 필요한 유역은 청미천 유역으로 나타났다. 팔당호에 기여하는 수량은 적지만 도시화의 영향으로 인구 밀도가 높은 경안천 유역은 생활오수를 중점으로 오염원 관리가 필요하다. 팔당호 상류의 하천과 본류권, 하수처리장에서 β-lactam 계열의 항생제 내성 유전자 (Klebsiella pneumoniae; bla_KPC, ESBL)가 1×104 copies/L 농도로 검출되었다. 여러 지류의 혼합이 일어나는 팔당호의 특성상, 하수처리장에서 배출되는 잔류 항생물질과 항생제 내성균/유전물질이 상수원인 팔당호 수계로 유입되어 수계 내에 존재하는 환경 미생물의 항생제 내성 획득을 촉진할 가능성이 있다. 또한 전국적으로 신설되는 하수처리장의 수가 증가함에 따라 건설비용도 막대하게 소모되지만 운전관리비용도 천문학적으로 증가하게 된다. 따라서 운전관리를 최적화하여 전력비, 인건비, 약품 투입비 등 그 비용을 최소화해야 할 필요가 있다. 그리고 원 폐수의 수질 및 수량이 수시로 변동하며, 운전 상태가 복잡한 하ㆍ폐수처리 공정은 경험이 풍부한 전문가가 필수적이나, 국내에서는 현장 운전자의 장기 근무 기피로 기술축적이 미약하여, 이상 현상 발생시 신속하고 정확한 현장 진단 및 공정제어가 어려워 운전 상태 및 방류수 수질 악화의 커다란 요인이 되고 있다 (한국수자원공사, 1997). 따라서 팔당호 상수원지의 먹는 물에 대한 안정성을 높이고 수생생물 보호를 위해 수계에 존재하는 감염성 병원체와 항생제 내성 유전자의 거동파악 및 제거에 대한 하수역학을 이용한 연구가 필수적이므로 점오염원인 하수처리장의 기존 소독과정의 활용을 통해 시간과 경제성을 고려한 관리방안에 대한 기존의 소독기술을 활용할 수 있는 고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP)의 적용 가능성을 실험실 수준에서 검증함으로써 보다 효율적인 관리 방안을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rapid population growth and industrial development have led to an increase in water usage, as well as the volume and types of pollutants discharged. The influx of untreated sewage from sewage treatment plants poses a potential threat to the health and environmental safety of nearby watersheds due to the presence of residual antibiotics, antibiotic-resistant genes, pathogenic bacteria, and other contaminants. Environmental changes such as rising temperatures, attributed to global warming, facilitate the transmission of residual antibiotics and antibiotic resistance genes from the environment. Since 2008, the Lake Paldang has been managed under a total pollution load control system, with monitoring focused mainly on chemical parameters. However, there is a lack of research on biological safety, particularly regarding trace contaminants such as infectious pathogens and antibiotic-resistant genes. The existing concentration-based regulatory approach for water quality management in public water bodies such as rivers fails to consider the permissible pollutant load, resulting in overly stringent regulations in relatively less polluted upstream watersheds and lenient regulations in heavily populated downstream watersheds. This study assessed the discharge loads in the upstream areas of the Lake Paldang (including the Gyeongancheon, Yanghwacheon, Bokhacheon, and Cheongmicheon rivers) to determine the degree of water pollution based on BOD and T-P concentrations. Additionally, considering the major targets of the national wastewater surveillance program, Korea Wastewater Surveillance (KOWAS), since 2021, infectious pathogens (Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2; SARS-CoV-2, norovirus, human influenza virus A) and antibiotic-resistant bacteria were selected for research to understand their behavior and potential impact on the Lake Paldang.
The study found that antibiotic-resistant bacteria in the Lake Paldang watershed ranged from 1×105 copies/L in upstream areas to 1×108 copies/L in influent sewage and 1×103 ~ 1×106 copies/L in effluent sewage from sewage treatment plants. The calculated discharge loads in the Lake Paldang watershed for BOD and T-P were about 20884 kg/d and 1055 kg/d, respectively, with Cheongmicheon watershed requiring management due to livestock manure. Although the contribution of Gyeongancheon watershed to the Lake Paldang is minimal, its high population density necessitates pollution control focused on domestic sewage. Moreover, antibiotic-resistant genes (β-lactam antibiotics) were detected at a concentration of 1×104 copies/L in the rivers and main stream of the Lake Paldang, indicating the potential promotion of antibiotic resistance in environmental microorganisms due to the influx of residual antibiotics and antibiotic-resistant bacteria/genes from sewage treatment plants. As the number of sewage treatment plants nationwide increases, construction costs escalate significantly, while operation and management costs also rise astronomically. Therefore, it is essential to optimize operation and management to minimize costs such as electricity, labor, and chemical inputs. However, the complexity and variability of influent water quality and quantity in sewage treatment processes necessitate the presence of experienced professionals for efficient operation and maintenance. In Korea, a shortage of skilled operators due to their aversion to long-term on-site work leads to insufficient technological accumulation, hindering prompt and accurate diagnosis and control of operational issues, which significantly contribute to deteriorating effluent water quality. Thus, research utilizing sewage hydrodynamics to understand the behavior and removal of infectious pathogens and antibiotic-resistant genes in water bodies is crucial for enhancing the stability of drinking water from the Lake Paldang and protecting aquatic life. To address this, the study proposed the experimental verification of the applicability of Advanced Oxidation Processes (AOP), a highly advanced treatment process, using existing disinfection technologies in sewage treatment plants at the laboratory level, to suggest more efficient management strategies considering time and cost-effectiveness.

목차 (Table of Contents)

• 초록 08
• I. 서 론 11
• 1. 연구배경 및 필요성 11
• II. 이론적 배경 18
• 1. 하수 기반 역학 18
• 2. 수질오염총량 관리제 19
• 3. Advanced Oxidation Process(AOP) 22
• 3.1 고도산화공정반응 23
• 3.1.1 O3/H2O2 23
• 3.1.2 O3/H2O2 23
• 3.1.3 H2O2/UV 24
• III. 실험 재료 및 방법 25
• 1. 연구대상 유역 25
• 1.1 팔당호 상류 25
• 1.2 오염원 현황 27
• 1.3 부하량 산정 28
• 1.3.1 생활계 28
• 1.3.2 산업계 30
• 1.3.3 토지계 36
• 1.3.4 축산계 37
• 1.3.5 양식계 38
• 1.3.6 매립계 39
• 2. 연구대상 병원체 40
• 2.1 SARS-CoV-2 40
• 2.2 Norovirus 41
• 2.3 Hepatitis A virus 41
• 2.4 Klebsiella pneumoniae 41
• 2.5 Plasmid-mediated AmpC beta-lactamase (PABL) 42
• 2.6 Extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) 42
• 3. 샘플링 43
• 3.1 하천 샘플 수집 43
• 3.2 전처리 및 농축 45
• 4. Genomic RNA & DNA 추출 및 digital PCR 분석 45
• 5. AOP Lab. Test 48
• IV. 실험 결과 49
• 1. 부하량 49
• 2. 감염성 병원체 거동분석 56
• 3. AOP Lab. Test 60
• V. 결론 및 고찰 64
• 참고문헌 70
• Abstract 74