†To whom correspondence should be addressed. E-mail: Introduction
세계 보건 기구(World Health Organization, WHO)에서는 마시는 물에서의 불소 농도를 1.5 mg/L 이하로 권고하고 있지만(Li et al., 2001) 아프리카 동부의 Rift Valley에 위치한 에티오피아, 케냐, 탄자니아의 수 억명 명의 주민들은 10 mg/L 이상의 고농도 불소(때로는 >100 mg/L)가 함유된 지하수에 노출되어 있어 심각한 건강상의 위험에 노출되어 있다(Sani et al., 2016) (Fig. 1) 높은 농도의 불소가 함유된 지하수를 장기간 식수로 사용하면 치아 착색이나 골다공증, 관절염, 그리고 심지어 암, 불임, 뇌 손상, 알츠하이머, 갑상선 질환 등 다양한 질병이 발생할 수 있다(Chinoy, 1991; Brunt et al., 2004; Jacks et al., 2005).
지하수내의 불소는 활성탄, 이온교환수지, 역삼투 등의 방법으로 비교적 쉽게 제거될 수 있지만(Mohapatra et al., 2009; Ma et al., 2011, Loganathan et al., 2013; Vithanage and Bhattacharya, 2015; Hu et al., 2017) 개발도상국에서는 기술적, 경제적 이유로 이들 방법을 제대로 사용할 수 없는 실정이다. 따라서 개발도상국에서는 지하수의 불소를 제거하여 안전한 식수를 제공하기 위해 여러 가지 간단하고 저렴한 방법들이 제안되고 있으며 그 중 Rift Valley에 위치한 에티오피아, 케냐, 탄자니아에서는 골탄이나 Hydroxyapatite(HAP) 등의 흡착제를 이용한 방법이 널리 쓰이고 있다(Hu et al., 2017) (Fig. 2). 골탄은 동물의 뼈를 태워 탄화시켜 그 생성물을 흡착제로 사용하여 지하수 내의 불소를 제거하는 방법으로 현지에서는 생활폐기물로 버려지는 동물의 뼈를 이용하기 때문에 제작에 필요한 비용이 적게 드나, 제조방법(골탄을 생산하기 위한 시설(가마)과 제작 조건(탄화 온도와 시간 등))이 제대로 정립되지 않아 생산되는 골탄의 품질이 낮은 문제점이 있다(Singh et al., 2020). 실제로 골탄으로 처리한 물에서는 종종 불쾌한 냄새와 색깔이 나타나 음용수로서 적절하지 못 한 경우가 많으며(Puangpinyo et al., 1996), 무엇보다 에티오피아와 탄자니아 현지에서 사용되고 있는 골탄의 불소흡착능력은 0.75-1 mg 불소/g 골탄 정도로 매우 낮아(Kaseva, 2006; Maeng et al., 2020) 이 지역 지하수의 고농도 불소를 제거하기에는 역부족인 실정이다. 이러한 골탄의 단점을 보완하기 위하여 화학적인 방법으로 만든 합성 HAP도 에티오피아 현지에서 생산되어 사용되고 있다. 합성 HAP는 제조방법이 골탄에 비해 훨씬 간편하고, 보관과 운송이 용이하며, 무엇보다 골탄에 비해 처리수의 맛/냄새 그리고 색깔 등이 우수하여 현지 주민들이 선호하는 방법이다. 또한 HAP는 골탄에 비해 상대적으로 높은 불소흡착능력을 보여주고 있다(Rathnaake et al., 2022). 처리조건에 따라 다소 차이는 있으나 합성 HAP는 골탄에 비해 약 5~37% 정도 높은 불소흡착능력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Medellín-Castillo et al., 2020) 하지만 다른 한편으로 합성 HAP는 원료물질의 구입비용과 제조과정에서의 에너지비용이 높아 골탄에 비해 판매가가 높은 단점이 있어(에티오피아의 경우에는 4배 이상) 현지주민들이 이용하기에 경제적 부담이 큰 실정이다.
이 연구에서는 에티오피아 현지에서 사용되고 있는 골탄과 HAP 두 가지 흡착제를 병합하여 처리하는 수처리방식을 개발하여(두 가지 흡착제의 장점을 살리고 단점을 보완함으로써) 현지 지하수 내의 높은 농도의 불소를 보다 효율적으로 제거하고 또한 교체주기를 늘려 보다 많은 양의 처리수를 생산할 수 있는 경제적인 방법을 개발하였다.
Materials and Methods
1. 골탄과 HAP
이 연구에서 사용한 골탄과 HAP는 에티오피아의 오로미아(Oromia)주 모조(Mohjo)시에 있는 현지 NGO 단체인 Oromia Self-Help Organization (OSHO)에서 생산된 것을 사용하였다. OSHO에서 골탄과 HAP를 생성하는 과정은 이전 연구(Maeng et al., 2020)에서 서술된 바와 같으나, 간단히 설명하면 먼저 골탄은 생활폐기물로 버려지는 소의 뼈를 상온에서 3-4주 건조 시킨 다음 가마에서 1주 동안 고온에서 탄화시키고 그 탄화된 뼈를 분쇄기로 분쇄한 다음 채로 걸러 일정한 크기의 입자들(0.6~2 mm)만을 선별하여 건조/세척 후 사용하였다. 한편 HAP는 미국의 자선단체인 USAID에서 공여한 기계를 이용하여 화학적으로 제작한 액체 HAP를 건조하여 고형으로 만든 다음 골탄과 비슷한 크기의 작은 입자로 분쇄하여 사용하였다.
2. 컬럼 실험
2.1. 컬럼
실험에 사용한 컬럼의 사양은 Figure 3과 같다, 컬럼의 재질은 PVC이며 내부직경은 2.54 cm, 전체 길이는 101 cm이었으며 골탄과 HAP는 54 cm까지 충전하였다. 충전된 골탄의 중량은 약 70 g이었고 HAP의 중량은 약 50 g이었다.
2.2 컬럼실험 방법
컬럼 실험은 Figure 4와 같은 연속 흐름식 고정 컬럼에서 진행하였다. 먼저 실험을 위하여 초순수 제조기(Simpure D330, UMS science, Korea)로 얻은 3차 증류수에 sodium fluoride(NaF, Sigma-Aldrich, USA)를 용해시켜 5 mg/L 불소 용액을 제조하였다. 제조된 불소 용액은 저장고에 주입하였으며 저장고에 있는 불소 용액은 유량 펌프(Masterflex pump controller, Barnant Company, USA)를 이용하여 유량 30 liter/day으로 위에서 언급한 컬럼으로 유입시켜 충전된 흡착제(골탄 단독, HAP 단독, 골탄+HAP 병합)를 통과하도록 하였다. 골탄 단독과 HAP 단독 실험은 Figure 3에 나타낸 골탄 컬럼과 HAP 컬럼과 같은 사양으로(크기와 구성)으로 진행하였으며, 골탄과 HAP 병합 실험은 Figure 3에 나와 있는 골탄 컬럼과 HAP 컬럼을 순차적으로 직렬로 연결하여 진행하였다. 처리수 시료는 유출수의 불소농도가 WHO 음용수 권고기준인 1.5 mg/L에 도달할 때까지 채취하였고 각각의 컬럼에 대해 처리시간과 처리된 물의 양, 그리고 제거된 불소의 양을 측정하였다.
Results and Discussion
1. Lab test 결과
Figure 5는 골탄을 단독으로 사용한 컬럼(B.C (Ethiopia)), HAP를 단독으로 사용한 컬럼(HAP), 그리고 골탄과 HAP를 직렬로 순차적으로 연결한 병합컬럼(B.C (Ethiopia) + HAP)에서 시간에 따른 처리수에서의 불소 농도를 비교한 것이다. 서론에서 언급한 바와 같이 HAP는 골탄에 비해 상대적으로 다소 높은 불소흡착능력을 가지고 있다(Medellín-Castillo et al., 2020), 이러한 불소흡착능력의 차이 때문에 골탄 단독 컬럼의 경우에는 실험 시작 1 시간만에 처리수의 불소농도가 급격히 높아졌고 2시간이 경과하였을 때는 이미 세계보건기구의 권장치인 처리수의 불소농도가 1.5 mg/L를 초과하였다, 이에 비하여 HAP 단독 컬럼의 경우에는 실험 시작 2시간까지도 처리수의 불소 농도가 1 mg/L 이하를 유지하였고 3시간이 경과하였을 때에야 처리수의 불소 농도가 1.5 mg/L를 초과하였다(하지만 실험시작 4시간 이후부터는 실험에 사용한 골탄과 HAP의 총 불소흡착능력에 근접함에 따라 두 컬럼의 처리수의 불소 농도가 비슷하게 유지되었다). 이에 비하여 골탄과 HAP를 순차적으로 직렬로 연결한 골탄과 HAP 병합필터에서는 처리수의 불소농도가 완만하게 증가하였으며 실험 시작 8시간이 경과하였을 때에야 처리수의 불소농도가 1.5 mg/L에 도달하였다. 결과적으로 처리수의 불소 농도가 1.5 mg/L에 이를때까지 처리한 물의 양은 골탄과 HAP를 단독으로 사용했을 때는 각각 평균 2.7 L, 3.3 L 이였는데 반하여 골탄과 HAP를 연속적으로 사용하였을 때는 평균 10.2 L 이었다. 이 평균값(10.2 L)은 골탄과 HAP를 각각 단독으로 사용한 것을 합한 값(6.0 L = 2.7 L + 3.3 L)보다 훨씬 높은 값이었다. 또한 처리수의 불소의 농도가 1.5 mg/L에 이를 때까지 제거한 불소의 양은 골탄과 HAP를 단독으로 사용했을 때는 각각 평균 13.4 mg, 16.6 mg 이였는데 반하여 골탄과 HAP를 연속적으로 사용하였을 때는 평균 50.9 mg 이었다. 골탄과 HAP를 연속적으로 사용하였을 때 처리한 불소의 양 50.9 mg은 골탄과 HAP를 각각 사용했을 때 제거한 불소의 양 40 mg(=13.4 + 16.6) 보다 높은 값이었다. 이러한 실험결과는 Table 1에 간략히 정리하였다.
이러한 결과는 앞단에 배치한 골탄이 원수의 고농도 불소를 먼저 흡착하고 후단의 HAP로 보내기 때문에 HAP에는 상대적으로 낮은 불소농도의 유입수가 흐르게 되어 단독으로 사용할 때보다 훨씬 오랜 동안 훨씬 많은 처리수를 생산할 수 있기 때문인 것으로 생각된다. 그러므로 HAP를 단독으로 사용하는 것보다 상대적으로 저렴한 골탄을 앞단에 배치하여 사용하면 HAP의 파과시간을 늘려 훨씬 많은 양의 처리수를 생산할 수 있을 것이며 이는 상대적으로 비싼 HAP의 교체주기를 늘려주어 정수처리설을 운영하는 비용을 대폭 절감할 수 있을 것으로 생각된다.
2. 골탄+HAP 병합 필터의 현장 적용
Lab test를 통하여 골탄이나 HAP를 단독으로 사용했을 때보다 골탄과 HAP 병합필터를 사용하였을 때 훨씬 오랜기간 동안 훨씬 많은 양의 처리수를 얻을 수 있음이 증명되었다. Lab test에서 증명된 이러한 결과를 바탕으로 골탄과 HAP 병합필터를 에티오피아의 농촌 마을에서 적용하는 사업을 진행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
골탄과 HAP 병합필터의 현장 적용이 이루어진 곳은 에티오피아의 오로미아 주 농촌 지역의 한 마을(마을 이름: Shenen Silasie)이었다. 이 마을에서는 앞에서 언급한 오로미아 주의 현지 NGO 단체인 OSHO가 국제기구의 지원을 받아 2014년에 HAP를 활용한 지하수 불소제거장치를 설치한 곳이었다(Figure 6, left). HAP의 높은 가격 때문에 원활한 교체가 제대로 이루어지지 않아 지하수의 불소가 거의 제거되지 않을 뿐 아니라 수량마저 부족하여 마을 주민들은 어쩔 수 없이 불소농도가 높은 근처 우물을 더 많이 사용하고 있는 실정이었다(Figure 6, right).
이 사업에서는 이 마을의 지하수 제거장치를 골탄과 HAP 병합필터로 교체하여 지하수 처리용량을 높이고 또 보관능력도 개선하여 마을 주민들에게 불소가 제거된 안전한 음용수를 충분히 제공하려 하였다. 구체적으로는 먼저 원수와 처리수 저장조를 두 배로(5톤에서 10톤으로) 늘렸으며, 기존의 노후된 4개의 소형 철제 필터를 내구성이 큰 2개의 대용량 플라스틱 필터로 교체하였다(Fig. 7). 기존의 철제 필터에는 모두 HAP가 충전되어 있었으나 교체된 플라스틱 필터에는 첫 번째 필터에는 OSHO에서 생산한 골탄을 두 번째 필터에는 HAP를 충전하였으며 운영하였다.
이 지역을 관장하는 수도관리국(에티오피아 아다마 수도관리국)의 수질 검사 결과(Table 2) 새로이 설치된 골탄과 HAP 병합필터는 지하수 원수의 높은 불소농도(9.46 mg/L)를 처리수에서는 0.14 mg/L로 낮추는 뛰어난 불소제거 능력을 보여 WHO의 음용수 권장기준치인 1.5 mg/L을 충족함을 확인하였다. Table 2에서 이 지역 지하수의 높은 불소 농도와 더불어 또 다른 특이한 사항은 지하수의 높은 온도와 전기전도도이다. 골탄과 HAP 병합필터의 현장적용이 이루어진 에티오피아 오로미아 주의 마을 Shenen Silasie는 화산과 지질활동이 활발한 동아프리카 지구대(East African Rift Valley)에 위치하고 있어 이 지역 지하수는 평균 온도가 25° C 이상이며 때로는 60°C 가 넘는 경우도 있다(Mechal et al., 2022). 이러한 뜨거운 지하수와 암석의 상호작용으로 이 지역의 지하수에는 다양한 이온들이 녹아 있어 평균 전기전도도도 827 μS/cm 이상이며 때로는 6300 μS/cm 이상인 경우도 있다(Mechal et al., 2022). 이 지역의 지하수에 높은 농도로 함유된 이온은 불소(F-) 뿐 만 아니라 나트륨(Na+)과 칼륨(K+), 그리고 탄산이온(HCO3-) 등이며(Mechal et al., 2022, Abebe et al., 2024). 이 중 일부가 골탄과 HAP 병합필터에 의해 제거된 것으로 보인다.
결과적으로 골탄과 HAP 병합필터의 현장 적용으로 먼저 골탄과 HAP 병합 필터가 지하수 내의 고농도의 불소를 보다 효과적으로 제거할 수 있음을 보여주었다. 또한 골탄과 HAP 병합 필터는 값이 상대적으로 비싼 HAP의 교체주기를 2배로(기존 3개월에서 6개월로) 늘려 현지 주민들의 경제적 부담을 완화하였으며, 무엇보다 지하수 처리용량을 현저히 늘림으로써(기존 약 5,000 L에서 25,000 L로) 현지 주민들이 안전한 식수를 지속적으로 공급받을 수 있게 하였다.
골탄과 HAP 병합필터는 이 마을(Shenen Silasie)에서 처음으로 적용한 것이며, 이 마을에서의 골탄-HAP 병합필터의 운영경험을 현지 NGO 단체인 OSHO와 공유하였고 향후 OSHO에서 설치할 에티오피아내의 마을 단위 지하수 불소 제거 정수처리장치에 이번에 개발한 골탄-HAP 병합필터 기술을 적용할 수 있도록 OSHO에 기술 이전을 진행하였다.
Conclusion
아프리카의 동북부지역의 여러 국가에서는 높은 농도의 불소가 함유된 지하수를 장기간 이용한 사람들 사이에 심각한 건강문제가 발생하고 있다. 이들 국가에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 소뼈 등을 탄화시켜 만든 골탄을 사용하고 있으나 현재 이들 나라에서 사용하고 있는 골탄은 그 제조과정이 표준화, 최적화 되어 있지 않아 낮은 불소제거능력을 보이고 있다.
이 연구에서는 에티오피아 현지에서 사용되고 있는 골탄과 HAP 두 가지 흡착제를 병합하여 처리하는 수처리방식을 개발하여 실험실 뿐만 아니라 현장에서의 적용 가능성을 검증하였다. 새로이 개발된 골탄+HAP 병합 수처리장치는 지하수 내의 높은 농도의 불소를 보다 효과적으로 제거하고 또한 교체주기를 늘려 보다 많은 양의 처리수를 생산할 수 있음을 보였다. 결론적으로 이 연구에서 새로이 개발된 골탄과 HAP 병합필터는 동북부 아프리카의 높은 지하수 불소 농도를 경제적이고 효율적으로 제거하기 위한 한 가지 중요한 해결책을 제시한 것으로 생각된다.
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