Экотоксикологический анализ токсигенной нагрузки промышленных предприятий г. Нижнего Новгорода на водные объекты речного участка Чебоксарского водохранилища

Автор: Гелашвили Д.Б., Безрукова Н.В., Безруков М.Е.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 2 т.2, 2000 года.

Бесплатный доступ

Предложен алгоритм оценки взаимосвязи токсичности возв ратных вод с их химическим составом. Сформулированы рекомендации по совершенствованию эколого-экономического механизма с учетом данных экотоксикологического контроля.

Короткий адрес: https://sciup.org/148197595

IDR: 148197595

Текст научной статьи Экотоксикологический анализ токсигенной нагрузки промышленных предприятий г. Нижнего Новгорода на водные объекты речного участка Чебоксарского водохранилища

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Предложен алгоритм оценки взаимосвязи токсичности возвратных вод с их химическим составом. Сформулированы рекомендации по совершенствованию эколого-экономического механизма с учетом данных экотоксикологического контроля.

В связи с прогрессирующей антропогенной нагрузкой на водные объекты особую актуальность приобретают методы экотоксикологического контроля, под которыми понимают систему слежения за источниками поступления токсичных веществ в окружающую среду (Жмур, 1997). Ведущую роль в этих методах играет процедура биотестирования, обеспечивающая оперативную интегральную диагностику, как источников загрязнений, так и экологического состояния водных объектов (Строганов, 1971, 1983; Брагинский, 1971; Лесников, 1983; Флёров, 1983; Филенко, 1988, 1989; Розенберг и соавт., 1995; Гелашвили и со-авт., 1998, 1999). Возвратные (сточные) воды промышленных предприятий, сбрасываемые в поверхностные водоёмы или на рельеф местности, имеют сложный многокомпонентный состав и в зависимости от степени очистки оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Применение методов биотестирования для оценки ущерба окружающей природной среде, наносимого промышленными возвратными водами введено в природоохранную практику приказами Минприроды РФ от 27.12.95 №533"О введении экономического эксперимента по внедрению методов биотестирования при оценке качества возвратных вод и взиманию платы с учетом их токсичности"; Госкомэкологии РФ от 15.04.98 №216 "О продолжении экономического эксперимента по взиманию платы за сбросы токсичных загрязняющих веществ в окружающую природную среду", а в г.Нижнем Новгороде и Нижегородской области распоряжениями губернатора Нижегородской области от 28.05.97 №666-р "О введении порядка определения и взимания платы за сброс возвратных вод с учетом их токсичности" и от 17.03.2000 №414-р "Указания о определению и взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды на территории Нижегородской области".

Наше непосредственное участие в этом эксперименте на протяжении 1997-2000 гг показало, что для оптимизации эколого-экономического механизма управления водопользованием необходимо от констатации факта токсичности возвратных вод перейти к анализу причин ее вызывающих. Это потребовало комплексного экотоксикологичес-кого, гидрохимического и математического анализа взаимосвязи между токсичностью возвратных вод и их химическим составом. Для решения этой задачи были использованы экспериментальные данные, полученные в процедуре биотестирования возвратных вод более 40 крупных промышленных предприятий г. Нижнего Новгорода.

Нижегородская городская агломерация -одна из крупнейших в России. В её пределах проживают более 2 млн. человек. Основные стационарные источники загрязнения города - это 135 предприятий с общим числом рабочих мест на уровне 340 тыс. человек, представляющие собой объекты энергетики, машиностроения, стройиндустрии и нефтепереработки, а также металлургические и лакокрасочные производства (Косариков, 1994). Оценка взаимосвязи токсичности возвратных

Таблица 1. Уравнения зависимости токсичности возвратных вод машиностроительных предприятий г.Н.Новгорода от их химического состава

№ п/п	Характер взаимосвязи	Уравнение зависимости*	Номер уравнения
1	Линейный с учётом пяти факторов и точкой перегиба	У 1 (<11,38) = 2,696 + 0,3 79X 1 - 0,109X 2 + 0,015X 3 - 47,573X 4 + 0,295X 5 ; У 1 (>11,38) = 230,140 + 3,502X 1 + 55,133X 2 -24,575X 3 - 13,066X 4 - 90,069X 5	(1)
2	С учётом квадратичных взаимодействий пяти факторов	У₂ = 17,102 + 0,974X 1 - 0,111X 12 - 13,214X 2 + 0,451X₂² + 106,175X₃ - 0,003X₃² + 0,128X 4 - 359,454X 42 + 22,007X 5 - 0,867X 52	(2)
3	С учётом комбинированных взаимодействий пяти факторов	У₃ = -5,766 + 9,63X 1 + 2,964X 2 +0,058X₃ + 0,058X₄ - 27,455X 5 - 0,341X 1 X 2 - 0,988X 1 X₃ -105,509X 1 X 4 - 41,925X 1 X 5 - 0,947X₂X₃ -152,672X₂X₄ + 29,043X₂X₅ + 210,269X₃X₄ -5,095X₃X₅ + 171,673X 4 X 5	(3)

* -Xr. ,Х5, соответственно, концентрации (мг/л) нефтепродуктов, солевого аммония, нитратов, меди, цинка фактически наблюдаемых в возвратных водах машиностроительного комплекса г.Н.Новгорода вод с их химическим составом с использованием корреляционного анализа (параметрический коэффициент корреляции Пирсона) дала возможность определить группу приоритетных загрязнителей: Cu2+ (r = 0,889);

NO₃ ^- (r = 0,857); NH y (r = 0,338); Zn²⁺ (r = 0,233); нефтепродукты (r = 0,215).

Статистический анализ позволил получить три модели (уравнения 1 - 3) зависимости между токсичностью возвратных вод и

Таблица 2. Сравнительный анализ экспериментальных и расчётных показателей токсичности (Лкр₅₀) сточных вод

Номер пробы	Уэкс	Регрессионные модели
Номер пробы	Уэкс	У 1	У 2	У з
1	11,7	11,6	504,9	12,0
4	33,5	33,9	3465,5	35,7
5	52,8	51,4	894,4	52,3
6	9,56	9,56	12,0	9,54
11	2,50	2,04	666,4	4,35
13	17,5	16,9	3184,8	21,5
15	21,8	21,6	962,7	21,1
16	1,50	1,02	345,1	1,42
17	1,21	2,33	59,3	2,57
18	1,13	1,43	146,9	1,89
19	2,60	3,65	2001,2	3,70
20	3,67	2,08	4,60	0,92
21	2,05	2,14	1,83	2,11
22	8,32	8,00	6,22	8,37
23	2,45	2,47	26397,6	12,5
Ошибка (У экс - У 1 \| / У экс • 100%), %		18,09	83996,1	55,09
Доверительная вероятность, %		97,69	15,66	82,25

Таблица 3. Экотоксикологическая характеристика рек г.Н.Новгорода в 1997-1999г

№ п/п	Объект исследований	Среднее значение токсичности, Лкр 50 ± ш	Категория вод*
1	р. Волга	1,00 ± 0,00	нетоксичная
2	р. Ока	1,00 ± 0,00	нетоксичная
3	р. Чёрная	2,97 ± 1,97	малотоксичная
4	р. Левинка	1,07 ± 0,13	малотоксичная
5	р. Ржавка	1,13 ± 0,07	малотоксичная
6	р. Борзовка	1,00 ± 0,12	нетоксичная
7	р. Гниличка	3,15 ± 2,15	малотоксичная
8	Западно-стрелочный канал	1,82 ± 0,68	малотоксичная
9	Бурнаковский ручей	1,00 ± 0,10	нетоксичная

*- в соответствии с категорией токсичности возвратных вод химическим составом (табл.1).

Проведённая верификация полученных моделей показала, что только одна из моделей (уравнение 2) даёт результаты, существенно отличающиеся от экспериментальных. Наиболее адекватным является уравнение (1), учитывающее линейный характер взаимосвязи токсичности возвратных вод и концентрации приоритетных загрязнителей с точкой перегиба на уровне средних значений токсичности.

Проведённый анализ позволяет сделать ряд обобщений. Во-первых, показана принципиальная возможность выявить статистическую взаимосвязь между токсичностью возвратных вод и концентрациями в них приоритетных загрязнителей. Следут отметить, что ранее такая возможность подвергалась сомнению (Строганов, 1979; Жмур, 1997). Во-вторых, построение адекватных апрок- симаций зависимости между токсичностью возвратных вод и их химическим составом целесообразно проводить для отдельного (достаточно крупного предприятия), либо группы предприятий, относящихся к одной отрасли. В этом случае качественный и количественный химический состав возвратных вод, а также их сезонные изменения будут подвержены меньшим колебаниям, что повысит прогностическую ценность модели. В-третьих, полученные модели дают возможность выработки рекомендаций предприятиям по снижению токсичности возвратных вод до заданного уровня путём корректировки концентраций приоритетных загрязнителей, что в итоге приведёт к уменьшению платежей за загрязнение окружающей среды.

Для оценки уровня воздействия промышленных предприятий на водные объекты города в 1998 - 99 гг было проведено ис-

Таблица 4. Результаты исследований по оценке токсичности возвратных вод открытых выпусков промпредприятий г.Н.Новгорода методом биотестирования (1997-98гг)

№ п/п	Годы	Количество предприятий			Количество выпусков			Количество проб
		Всего	В том числе с выявленной токсичностью		Всего	В том числе с выявленной токсичностью		Всего	В том числе с выявленной токсичностью
		Всего	абс.	%	Всего	абс.	%	Всего	абс.	%
1	1997	23	11	47,8	36	14	38,9	54	19	35,2
2	1998	25	12	48,0	35	13	37,1	56	18	32,1
3	1999	28	11	39,3	56	19	33,9	83	24	28,9
4	Всего	44	24	54,3	57	36	63,2	193	61	31,6

Таблица 5. Результаты статистического анализа биологического тестирования (Лкр₅₀) проб возвратных вод промышленных предприятий г.Н.Новгорода

Годы Статистические параметры Лкр50±ш ±tm s 1997 8,74+2,21 2,22^10,96 16,69 1998 3,82+0,444 1,48^3,22 3,84 1999 1,84+0,225 1,50^2,38 1,92 Среднее за 1997-1999 6,06+0,652 2,12^4,65 9,34 следование химического состава и анализа токсичности вод девяти малых рек и ручьёв города, а также отдельных участков рек Волги и Оки, протекающих по территории города. Установлено, что пробы воды, полученные из водных объектов г. Н. Новгорода, оказывают токсическое действие на Daphnia magna. Среднелетальная кратность разбавления природных вод колебалась в диапазоне от 1,00 до 3,15, что соответствует категории малотоксичных сточных вод промышленных предприятий (табл.3).

Кроме поверхностного стока с загрязнённых урбанизированных территорий, одной из основных причин токсичности вод является сброс промышленными предприятиями города в реки возвратных (сточных) вод своего производства.

Как следует из полученных данных, в 1999г из 28 обследованных предприятий 14 (50,0%) имели выпуски с токсичными возвратными водами. При этом, из общего числа анализируемых выпусков (56-ти), в 19 случаях, выявлено наличие токсичности возвратных вод, что составляет 33,9%. В срав нении с 1997 и 1998 годами количество выпусков и анализируемых проб, признанных токсичными в 1999 году, по отношению к их общему числу является наименьшим по результатам всех трёх лет исследований (табл.4). Это свидетельствует о том, что начали действовать экономические механизмы (повышающий коэффициент платы за водопользование) эксперимента по оценке токсичности возвратных вод промышленных предприятий, заставившие администрацию предприятий обратить внимание на снижение токсичности возвратных вод.

Статистический анализ динамики среднелетальной кратности разбавления (Лкр₅₀) возвратных вод промпредприятий г. Н. Новгорода за 1997-99гг (табл.5) показывает, что наблюдается снижение среднего показателя токсичности с 8,74 до 1,84, а также уменьшается значение среднеквадратического отклонения ( о ), свидетельствующее о снижении разброса значений Лкр₅₀ связанное с уменьшением доли предприятий с высокотоксичными возвратными водами.

Однако, принимая во внимание сложив-

Таблица 6. Действующая и рекомендуемая система показателей взимания платы за сброс возвратных вод по результатам биотестирования

Действующие нормативы				Рекомендуемые нормативы
Показатель тосичности	Повышающий коэффициент	Количество проб		Показатель токсичности	Повышающий коэффициент	Количество проб
Показатель тосичности	Повышающий коэффициент	абс. знач.	%	Показатель токсичности	Повышающий коэффициент	абс. знач.	%
0 + 1	1,0	148	68,5	0 + 1	1,0	148	68,5
1 + 16	1,3	63	29,2	1 + 4	1,3	34	15,7
16 + 50	1,5	4	1,9	5 + 16	1,5	29	13,4
50 + 100	1,8	0	0,0	17 + 64	1,8	4	1,9
>100	2,0	1	0,5	>65	2,0	1	0,5

Таблица 7. Изменение объемов токсигенной нагрузки возвратных вод промышленных предприятий г.Н.Новгорода за период исследований (1997-99г)

№	Предприятия	Объем токсигенной нагрузки, тыс.м³ /год
		1997 г	1998г		1999г		Среднее за период ис-следовний абс.
		абс.	абс.	% к предыдущему году	абс.	% к предыдущему году	Среднее за период ис-следовний абс.
1	ОАО «ГАЗ»	1201804	997719	83,0	277060	27,8	825528
2	Сормовская ТЭЦ	240238	-*	-	-	-	240238
3	ПО «Нижег. машин. з-д	139098	8260	5,9	8260	100,0	51873
4	НГАЗ «Сокол»	12958	448	3,46	578	1,29	4661
5	ОАО «Этна»	10526	19337	183,7	2892	149,6	10918
6	«Химснаб»	848	-	-	-	-	848
7	НФ ОАО «Термаль»	495	124	25,1	38	30,6	219
8	ПО «Завод Красное Сормово	460	676	147,0	460	68,0	532
9	Нижегор.фарм.фабрика	323	-	-	40	12,4**	182
10	ОАО «Движение»	290	23	7,9	56	243,5	123
11	НИИИС	284	156	54,9	-	-	220
12	АО «Гидромаш»	132	53	40,2	190	358,5	125
13	АООТ «Молоч. комбинат «Нижегородский»	132	-	-	-	-	132
14	Пред. «ЗеФС»	121	226	186,8	121	53,5	156
15	ГУП ННИПИ «Кварц»	116	47	40,5	26	55,3	63
16	АО «Нител»	92	86	93,5	-	-	89
17	НПП «Салют»	87	77	88,5	-	-	82
18	АО «Орбита»	51	79	154,9	51	64,6	60
19	РУМО	30	272	906,7	47	17,3	116
20	З-д им.Г.И.Петровского	17	-	-	-	-	17
21	Мукомольный з-д	-	222	-	86	38,7	154
22	АОЗТ «ЗКПД-1»	-	90	-	248	275,6	169
23	Сормовская нефтебаза	-	49	-	-	-	49
24	ГП «Нормаль»	-	36	-	-	-	36
25	АО «Мельинвест»	-	31	-	-	-	31
26	Нижег. з-д РИАП	-	28	-	-	-	28
27	НПАП-4	-	24	-	-	-	24
28	НПАП-6	-	23	-	23	100,0	23
29	НПАП-3	-	19	-	39	205,3	29
30	УМ «Дорремстрой»	-	10	-	-	-	10
31	ЗКПД-1	-	-	-	248	-	248
32	Нижег. з-д им.Фрунзе	-	-	-	171	-	171
33	Нижегородснаб	-	-	-	68	-	68
34	ГП «Междун.аэропорт»	-	-	-	61	-	61
35	АО «Автодоставка»	-	-	-	60	-	60
36	АО «Полиавтотранс»	-	-	-	45	-	45
37	«ГЗАС им А.С.Попова»	-	-	-	35	-	35
38	АООТ «Хлебавтосервис »	-	-	-	15	-	15
39	Спец. пред. по уборке мусора	-	-	-	13	-	13
40	Гостиница «Волна»	-	-	-	8	-	8
41	Хлебокомбинат «Печёрский»	-	-	-	5	-	5
Среднее значение		80405	41125	51,1	10391	25,3	43974

*- отстутствовали пробы для биологического тестирования

** - сравнение с 1997 годом

51,873

10,9184,661 =4,02 7

240,238

825,528

□ ОАО «ГАЗ»
□ Сормовская ТЭЦ
□ ПО «Нижег. Машин. з-д
□ НГАЗ «Сокол»
□ ОАО «Этна»
□ Все остальные предприятия

Рис.1. Сравнительный вклад промышленных предприятий в увеличение объёмов токсигенной нагрузки (млн.м3/год) на водоёмы г.Н.Новгорода шуюся на территории города неблагополучную экологическую обстановку с водными объектами считаем целесообразным сохранить возможность корректировки повышающего коэффициента с учетом региональных особенностей органами исполнительной власти по согласованию с территориальными органами охраны природы, как это было предусмотрено п.4.3. "Временныхметодических указаний ...", утверждённой приказом Минприроды РФ от 27.12.95г №533. Эффективность подобного подхода была продемонстрирована в Ярославской области (Жмур, 1997).

Мы также предлагаем использовать модифицированную шкалу показателей токсичности, основанием к применению которой являются установленные нами факты, свидетельствующие, что 13,4% предприятий с токсичными водами имеют показатель токсичности 5 ^ 16 (табл.6). Таким образом, рекомендуемая нами шкала токсичности не только учитывает сложившиеся конкретные экологические условия на территории г.Н.Новгорода, но и оптимизирует экономические механизмы природопользования. К сожалению "Инструкция...", утвержденная приказом Госкомэкологии РФ от 15.04.98 №216 не предусматривает подобной возможности.

С целью экотоксикологического анализа формирования поверхностного стока на урбанизированной территории (г.Н.Новгород) был произведен расчет токсигенной нагрузки возвратных вод ( Т ) без учета кратности разбавления в водоеме:

T = I • Q ■ t , (4) где I - индекс безвредного разбавления (Лкр₁₀); Q - объем возвратных вод промышленного предприятия (тыс.м³) за время t (год).

Установлено, что наибольший объём токсигенной нагрузки (72,6%) оказывает ОАО "ГАЗ". На четыре предприятия города: Сормовская ТЭЦ; Нижегородский машиностроительный завод; НГАЗ "Сокол"; и ОАО "Этна" приходится 27,1% объёма от общей токсигенной нагрузки города (табл.7). На остальные предприятия города с выявленной острой токсичностью промышленных стоков приходится всего 0,4% от общего объема токсигенной нагрузки города.

Таким образом, расчёт объёмов токси-генной нагрузки промышленных предприятий позволил определить предприятия города, оказывающих наибольшее воздействие на водные объекты г. Н.Новгорода (рис.1).

Полученные в ходе выполнения работы результаты показывают, что внедрение методов биотестирования возвратных вод является первым шагом в переходе от санитарно-гигиенического нормирования антропогенной нагрузки на водные объекты к экологическому, учитывающему "интересы" не только человека, но и гидробионтов. Сложность проблемы, как это неоднократно указывалось многими авторами (Жмур, 1997), связана со сложным химическим составом возвратных вод и большой амплитудой колебаний концентраций. Эти обстоятельства объективно затрудняют применение классических токсикологических методов, базирующихся на оценке дозозависимого изолированного эффекта токсиканта. Применение корреляционного, регрессионного и факторного методов статистического анализа позволило обосновать на данном этапе исследований приоритетные загрязнители и получить модели, адекватно описывающие взаимосвязь между токсичностью возвратных вод и их химическим составом. Как показали наши исследования, перенос моделей, полученных для одного предприятия, на группу родственных предприятий не является корректным. Во многом это объясняется реально существующей большой дисперсией значений концентраций приоритетных загрязнителей. В результате, расширение анализируемой выборки предприятий, даже относящихся к одной отрасли, неизбежно повлечёт снижение прогностической ценности моделей, обусловленной спецификой технологических процессов и эффективностью действия очистных сооружений. Это требует, в свою очередь, организации эко-токсикологического контроля методами биотестирования за всеми предприятиями. Следует отметить, что несмотря на рекомендации по приоритету дафниевого теста в спорных ситуациях по результатам биотестирования, наши исследования показали целесообразность видоспецифического биотестирования, повышающего эффективность государственного и производственного контроля за качеством очистки возвратных вод. Проведение экономического эксперимента в г. Н. Новгороде только за период с 1997 по 1999г позволило добиться снижения токсичности возвратных вод в 4,75 раз и снизить токсигенную нагрузку на водные объекты в 1,83 раза.

Предложенный алгоритм оценки взаимосвязи токсичности возвратных вод с их химическим составом даёт возможность разрабатывать рекомендации по снижению токсичности до заданного уровня путём корректировки концентраций приоритетных загрязнителей. Однако реализация этой возможности в полном объёме требует получения реп-резетативного массива исходных данных. К сожалению, в настоящее время промпредп-риятия неохотно идут на дополнительные расходы, связанные проведением подобных работ. Так, например, рекомендованная в нормативно технической документации частота отбора проб "не реже, чем один раз в квара-тал", понимается производственниками буквально, что, отнюдь, не способствует получению представительной выборки результа тов биотестирования. Наш опыт показывает, что для предприятий, оказывающих значительную токсигенную нагрузку, частота отбора проб должна производится ежедекадно. По-видимому, на данном этапе исследования по оптимизации токсигенной нагрузки предприятий на водные объекты нуждаются в целевой государственной поддержке (как федеральной, так и региональной), что позволит в будущем обеспечить отечественную промышленность эффективными методами контроля и корректировки токсичности возвратных вод.

Таким образом, на основании проведённых исследований можно сформировать следующие основные рекомендации по совершенствованию эколого-экономического механизма водопользования с учётом данных эко-токсикологического контроля:

1. Видоспецифическое биотестирование;
2. Индивидуализация прогностических моделей;
3. Введение региональной шкалы градаций токсичности;
4. Повышение частоты отбора проб.

Статья научная