Эколого-гигиеническая оценка влияния предприятий черной металлургии на окружающую среду территорий Башкирского Зауралья

УДК 577.4:614.7:669.1

ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ТЕРРИТОРИЙ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ

© 2008 г. Р. А. Даукаев, Р. А. Сулейманов

Уфимский НИИ медицины труда и экологии человека Роспотребнадзора, г. Уфа

Горнорудная промышленность является одним из техногенных источников загрязнения окружающей среды. Технология добычи и обогащения руд заключается в извлечении и переработке огромных масс горных пород, из которых используется лишь небольшая часть. Образующиеся отходы рассеиваются природными миграционными процессами, загрязняя окружающую среду тяжелыми металлами. В техногенные миграционные потоки включаются основные цепи распространения загрязняющих веществ — воздушная и водная. В связи с этим особую актуальность приобретает комплексная оценка экологического состояния окружающей среды в уникальной геохимической провинции юго-восточного региона Республики Башкортостан, где существуют два процесса миграции тяжелых металлов: первый — природная миграция, второй — техногенная от промышленных предприятий черной металлургии [1].

Методика исследования

Объектами исследования являлись отобранные в 2006 — 2007 годах пробы снежного покрова, почвы, водные объекты на территориях размещения предприятий горно-рудной промышленности Республики Башкортостан (Белорецкий район). При выборе пунктов наблюдений учитывались расстояние от источников выбросов, роза ветров и рельеф местности.

Изучение содержания 8 химических элементов в снежном покрове проводили на окраинах г. Белорецка и в населенных пунктах, расположенных юго-западнее и северо-восточнее города. В качестве фонового участка выбрана территория Белорецкого района, не подвергающаяся загрязнению. Пробы снега отбирали снегомером, изготовленным из полиэтиленовой трубы, в марте 2007 года с площадки 1x1 м на всю глубину (50—100 см) снежного покрова, чтобы установить степень химического загрязнения местности через атмосферные выпадения за весь зимний период. Растворимую часть снега фильтровали и концентрировали упариванием, полученный раствор анализировали на содержание тяжелых металлов.

Для исследования загрязненности почвенного покрова валовыми (9 элементов) и подвижными (7 элементов) формами тяжелых металлов методом «конверта» в 2006 году были отобраны образцы почв из пахотного слоя в населенных пунктах, территориально прилегающих к пяти различным месторождениям руд, а также в радиусе 2—6 км вокруг Белорецка. Фоновая проба отбиралась вдали от урбанизированных территорий в относительно экологически чистом юго-западном районе Республики Башкортостан с учетом регионального преобладания видов почв на территории Белорецкого района.

Изучена степень загрязнения тяжелыми металлами снежного покрова, почв, поверхностных и подземных вод на территориях размещения предприятий черной металлургии в Башкирском Зауралье. Во всех исследованных объектах установлено превышение гигиенических нормативов по содержанию тяжелых металлов. Проведена комплексная оценка суммарной техногенной нагрузки на объекты окружающей среды. Выявлены приоритетные тяжелые металлы, произведено ранжирование территории по степени экологического неблагополучия.

Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение, снежный покров, почва, водные объекты.

Для оценки качества воды в 2006 году было изучено содержание 10 металлов в подземных и поверхностных водных объектах населенных пунктов, находящихся на различном удалении от Белорецка.

Анализы выполнялись в испытательной химикоаналитической лаборатории Уфимского научноисследовательского института медицины труда и экологии человека Роспотребнадзора. Определение содержания тяжелых металлов проводилось на атомно-абсорбционном спектрофотометре фирмы «Varian». Величину pH устанавливали рН-метром в исследуемом растворе. Обработка материалов произведена с использованием программы Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

На территории Белорецкого района находятся основные запасы железных руд Республики Башкортостан, обнаруживаются месторождения свинцово-цинковых, хромовых и марганцевых руд. ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», располагающийся в Белорецке, является единственным в республике предприятием отрасли черной металлургии, производящим две трети российского объема стальной и легированной проволоки, стальных тросов и холоднокатаной ленты.

Значительный вклад в загрязнение атмосферы Белорецка — 64 % от всего объема загрязняющих веществ, поступающих от стационарных источников, вносит названый металлургический комбинат, причем выбросы рассеиваются в направлении господствующих ветров. Режим ветра определяется сезонными особенностями атмосферной циркуляции и влиянием Уральских гор. В холодное время года, при усилении циклонической деятельности, наибольшую повторяемость имеют южные и югозападные ветры. Летом циклоническая деятельность ослабевает и увеличивается повторяемость северного и северо-восточного направлений ветра.

Хорошим индикатором зоны промышленного влияния на снежный покров является значение pH воды, полученной после таяния проб снега. Снег на исследуемой территории характеризовался pH от 4,88 до 7,43. Среднее значение pH в исследованных пробах снега составило 6,58, что является отклонением от значений чистых, незагрязненных атмосферных осадков (pH = 5,5—5,6) [2] и свидетельствует о загрязнении.

Изучение состава растворимой части снега показало, что содержание хрома максимально в пос. Шушпа, находящемся в 12 км северо-восточнее Белорецка. Наибольшее содержание ртути и кадмия выявлено на западной, а цинка — на северной окраине города, что, вероятно, вызвано переносом их воздушными массами от основных источников загрязнения. Наибольшее содержание марганца установлено в пос. Тирлянский, расположенном в 30 км северо-восточнее. Белорецка, что объяс-

няется соседством листопрокатного производства и наличием месторождения руд. Максимальные концентрации таких тяжелых металлов, как свинец, медь, железо, характерны для участка в с. Ломовка, находящемся в 6 км южнее Белорецка, что связано с накоплением на данной территории шлаков металлургического передела и непосредственной близостью автодорог с интенсивным движением грузового транспорта.

Для экологической оценки степени загрязнения снежного покрова тяжелыми металлами использовали геохимические показатели: коэффициент концентрации (Кс) и показатель суммарного загрязнения ^ ) [4].

Рис. 1 Кратность превышения содержания тяжелых металлов в снежном покрове относительно фона

Согласно расчетам значения коэффициентов концентрации тяжелых металлов относительно фоновой территории составили: свинец 0,1—7,7 кадмий 0,6—6,7; железо 0,9 —2,6; ртуть 0,7 —2,1 цинк 0,5—1,9; марганец 0,4—1,9; медь 0,8—1,3 хром 0,1 —1,6. Степень загрязненности снежного покрова средним (п = 11) содержанием металлов относительно фона очевидна и прослеживается на рис. 1. Высокие коэффициенты концентрации отмечаются по свинцу, кадмию, железу, ртути, особенно на участках юго-западней Белорецка. В связи с этим усредненный суммарный показатель загрязнения снежного покрова на данной территории имеет большую величину ^ ср. = 3,4), чем на участках, расположенных северо-восточнее Белорецка ^с ср. = 1,6).

Учитывая, что разгрузка снежного покрова происходит через весенние талые воды в ближайшие ручьи, реки и другие водоемы, содержание тяжелых металлов в составе снега сопоставлялось с гигиеническими нормативами для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения и с нормативами рыбохозяйственных водоемов. Установлено, что содержание подвижных, растворимых в воде соединений тяжелых металлов не превышает ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения, для рыбохозяйственных водоемов выявлено превышение ПДК по цинку до 2,1 раза.

Для оценки уровня загрязнения тяжелыми металлами снежного покрова с учетом двух видов водопользования нами рассчитывались коэффициенты загрязнения как отношение концентрации элемента в каждой пробе к соответствующей ПДК.

Анализ значений средних и суммарных коэффициентов загрязнения снежного покрова позволил выявить долю каждого элемента в общем объеме загрязнения металлами. Если для вод рыбохозяйственных водоемов основными загрязняющими элементами являлись по мере убывания цинк, медь и марганец, то для воды хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования — свинец, кадмий и железо.

На основании химического анализа снега можно сделать вывод, что в направлениях юго-западней Белорецка наибольший удельный вес среди всех металлов составляет кадмий. Далее по мере уменьшения вклада в общее содержание следуют свинец, железо, ртуть, медь, марганец, цинк и хром. В северо-восточных направлениях от Белорецка на первом месте по содержанию в снежном покрове тяжелых металлов находится также кадмий. В порядке уменьшения вклада в общее содержание следуют железо, марганец, цинк, медь, ртуть, хром и свинец.

Учитывая, что водорастворимая фракция тяжелых металлов обладает большей способностью к транслокации, возможностью быстрее переходить из одного объекта окружающей среды в другой, выявленные особенности валового содержания кадмия, свинца, ртути в снежном покрове можно расценивать как неблагоприятные для условий проживания населения.

Исследование загрязнения почв тяжелыми металлами окраин Белорецка и некоторых населенных пунктов Белорецкого района осуществлялось с учетом условного разделения территорий на четыре зоны: I — территории Шигаевского месторождения хромовых руд, II — территории Зигазинско-тирлянс-кого месторождения железных руд, III — территории Суранско-туканского месторождения железных руд, IV — территория вблизи г. Белорецка.

Для оценки уровня химического загрязнения почв использовали кратность превышения ПДК тяжелых металлов [7], коэффициенты концентрации химических элементов (Кс) и рассчитывали суммарный показатель загрязнения ^с) [3]

Данные по содержанию токсичных элементов в почвенном покрове свидетельствуют о присутствии металлов в концентрациях, превышающих ПДК, как по валовым, так и по подвижным формам. Так, в образце почвы, отобранном во II зоне, наблюдается превышение ПДК валовой формы свинца в 1,1 раза. Содержание валовой формы цинка в почвах превышает ПДК в I, II, III и IV зонах соответственно до 1,7; 1,5; 1,7 и 1,1 раза. Валовое содержание в почвах марганца и ртути находилось в пределах гигиенических норм.

Рис. 2 Кратность превышения содержания валовых форм тяжелых металлов в почвах относительно фона

В связи с отсутствием регламентов на валовое содержание никеля, хрома и кадмия в почве рассчитывали коэффициенты концентраций этих элементов. Наибольшее превышение фона никеля (Кс = 3,6) и хрома (Кс = 2,0) отмечается в I зоне. Наиболее высокие коэффициенты концентрации установлены по свинцу (4,7) во II зоне; кадмию (2,3), меди (0,8) в I зоне, цинку (3,1), ртути (2,4), марганцу (1,6), железу (0,9) в III зоне. На рис. 2 представлена кратность превышения средних (п = 21) концентраций исследованных валовых форм элементов их фоновых значений.

При оценке содержания в почвах подвижных форм металлов установлено превышение ПДК в 1,5 раза по меди в I зоне. Уровень подвижного никеля выше ПДК до 2,4 раза наблюдался в населенных пунктах I зоны и в 1,7 раза — в населенных пунктах III зоны. Загрязненность почвы подвижной фракцией цинка выше регламентируемых значений (до 1,1 ПДК) отмечается в I зоне. С учетом pH и типа почв содержание подвижных форм марганца превышало регламент во всех наблюдаемых нами зонах до 1,5 ПДК. Содержание подвижных форм хрома на всех исследованных территориях не превышало ПДК.

По подвижным формам металлов максимальное превышение фона наблюдалось по цинку, меди, железу и свинцу (рис. 3).

Рис. 3 Кратность превышения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах относительно фона

Ранговое распределение условных зон по интегральному показателю загрязненности почв ^с) валовыми и подвижными формами тяжелых металлов отличается. Если по значениям суммарного загрязнения, рассчитанным по валовому содержанию металлов, лидирует II зона и в порядке уменьшения следуют почвы III, I и IV зон, то по подвижным формам первое место занимает I зона, далее располагаются III, II и IV.

Почвы исследованных населенных пунктов по суммарному показателю загрязнения подвижными формами тяжелых металлов согласно ориентировочной шкале опасности относятся к категориям от умеренно опасного значения (II и IV зоны) до опасного (I и III зоны), по валовым концентрациям

— к допустимым (I—IV зоны).

В ходе наших исследований была проведена оценка качества воды р. Белая выше и ниже Белорецка, Белорецкого пруда, рек Нура, Рязь, Майгашля, Зилим, ручья Зиландя, а также источников централизованного и децентрализованного водоснабжения Белорецка, деревень Шигаево, Ишля, Зигаза, Бутаево, Нижний Суран и поселков Тукан, Ломовка, Тирлян.

Как показали наблюдения, большая часть поверхностных вод Белорецкого района по величине общей жесткости являются мягкими (0,80 — 3,01 °Ж). Исключение составляет отстойник рудника вблизи пос. Тукан, вода которого имеет среднюю (4,31 °Ж) жесткость.

Содержание большинства тяжелых металлов (свинец, медь, кадмий, цинк, хром, никель) соответствует требованиям гигиенических нормативов, предъявляемым к водоемам хозяйственно-бытового водопользования. Однако следует отметить чрезвычайно высокое содержание марганца в некоторых водных объектах Белорецкого района, что свидетельствует о существовании локальных источников загрязнения. В воде р. Майгашля концентрация марганца превышает ПДК для водоемов хозяйственно-бытового водопользования в 1,5 раза, в отстойнике Туканского рудника — в 1,3 раза, в ручье Зиландя — в 43,3 раза. Кроме того, в воде ручья Зиландя, протекающего по территории пос. Тукан, обнаруживается высокое содержание железа, оно превышает ПДК для водоемов хозяйственно-бытового водопользования в 1,8 раза. Результаты исследования свидетельствуют, что железо является приоритетным загрязнителем практически всех изученных нами водных объектов Белорецкого района. Так, повышенные концентрации железа наблюдаются в реках Нура, Рязь, Майгашля и во всех точках отбора вдоль русла р. Белой (пос. Шушпа, г. Белорецк, д. Серме-нево). Содержание железа в воде р. Белая в районе пос. Шушпа обнаружено на уровне 0,31 мг/л, в Белорецке — 0,30 мг/л, в д. Серменево —

0,33 мг/л. Вышеуказанное свидетельствует, что на

протяжении участка д. Махмутово — д. Серменево р. Белая находится под воздействием качественно одинаковых долговременных факторов загрязнения этим элементом.

При сопоставлении фактических концентраций некоторых токсичных элементов с нормативами для водоемов рыбохозяйственного назначения выявляется более выраженное неблагополучное состояние качества воды водоемов Белорецкого района. Обращает на себя внимание достаточно высокое содержание железа, марганца, меди в р. Зилим, протекающей по территории Зигазинского месторождения. Содержание железа в речной воде превышает ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения в 11,8 раза, марганца — в 5,0 раза, меди — в 1,6 раза.

Сравнительный анализ загрязнения вод источников централизованного и децентрализованного водоснабжения выявил некоторые различия в структуре загрязнения питьевой воды населенных пунктов Белорецкого района.

Большинство вод, используемых населением района для питьевых и хозяйственных нужд, обладает средней (3,51—6,01 °Ж) жесткостью. Исключением является система централизованного водоснабжения г. Белорецка, вода в которой является мягкой (1,91 °Ж). Показатель общей жесткости в воде города оказался в 3,7 раз ниже предела, допускаемого для хозяйственно-питьевого водопользования (7,0 °Ж). Из всех изученных водоисточников децентрализованного водоснабжения не отвечает гигиеническим требованиям вода, потребляемая из колодца в д. Ишля (8,01 °Ж), находящейся в 46 км западнее г. Белорецка.

Согласно анализам уровни содержания кадмия, свинца, меди, цинка, марганца, хрома и никеля в воде большинства населенных пунктов находятся в пределах норм питьевого водоснабжения. В пробе воды г. Белорецка обнаружено присутствие железа на уровне 0,24 мг/л, что ниже ПДК (0,3 мг/л).

Для сравнительной оценки интенсивности загрязнения поверхностных водоемов рассчитывался суммарный комплексный показатель загрязнения [5, 6]. Согласно расчетам наиболее загрязненным водным объектом с учетом гигиенических нормативов для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования является р. Зилим. К водным объектам с умеренным уровнем загрязнения можно отнести реки Рязь, Белая на участке пос. Шушпа — д. Серменево, Нура, Майгашля и Белорецкий пруд.

Расчет суммарных показателей загрязненности поверхностных водоемов с учетом нормативов для водоемов рыбохозяйственного назначения свидетельствует о высокой загрязненности воды р. Майгашля вблизи пос. Тукан. Наименее загрязненным тяжелыми металлами водным объектом является р. Белая в районе пос. Шушпа. Далее по степени

загрязненности воды следуют реки Рязь, Нура, Белая в д. Серменево и Зилим.

Среди источников централизованного водоснабжения населенных пунктов Белорецкого района наиболее высокий суммарный показатель загрязнения тяжелыми металлами отмечается в воде Белорецка, что обусловлено высоким содержанием железа, а децентрализованного — в д. Нижний Суран, что определяется повышенными концентрациями свинца и кадмия.

Приоритетные загрязнители объектов окружающей среды

Объект наблюдения Населенный пункт

г. Белорецк, Белорецкий район

Снежный покров Cd, Pb, Hg, Zn

Почва Pb, Zn, Ni, Mn

Поверхностные воды Fe, Mn, Cd, Cu

Питьевая вода Fe, Cd, Cr, Mn

Материалы исследований позволили осуществить ранжирование территорий и водных объектов по степени экологического неблагополучия и выделить основные приоритеты для включения в систему экологического мониторинга (таблица). В нашем исследовании превышения гигиенических регламентов в объектах окружающей среды наблюдались только по некоторым металлам. Тем не менее суммарное многосредовое воздействие всего комплекса изученных металлов может являться реальным фактором риска для здоровья населения.

Список литературы

1. Белан Л. Н. Геоэкологические основы природнотехногенных экосистем горно-рудных районов Башкортостана : автореф. дис. ... д-ра геол.-мин. наук / Белан Лариса Николаевна. — М., 2007. — 50 с.

2. Василенко В. Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В. Н. Василенко, И. М. Назаров. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 182 с.

3. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест : методические указания. — М. : Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 1999. — 38 с.

4. Методические рекомендации по оценке степени

загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве.

- М. : ИМГРЭ, 1990. - 16 с.

5. Новиков Ю. В. Использование комплексных показателей при разработке гигиенической классификации водоемов по степени их загрязнения / Ю. В. Новиков, С. И. Плитман, К. О. Ласточкина // Гигиена и санитария.

- 1984. - № 6. - С. 11-13.

6. Новиков Ю. В. Оценка качества воды по комплексным показателям / Ю. В. Новиков, С. И. Плитман, К. О. Ласточкина // Там же. - 1984. - № 11. - С. 7-10.

7. Перечень предельно допустимых концентраций и ориентировочно допустимых количеств химических веществ в почве. - М. : Госкомсанэпиднадзор РФ, 1993.

- 32 с.

ECOLOGY-HYGIENIC ESTIMATION OF INFLUENCE OF BLACK METALLURGY ENTERPRISES ON ENVIRONMENT OF URAL BASHKIR TERRITORIES

R. A. Daukaev, R. A. Suleimanov

Ufa Institute of Occupational Health and Human Ecology

Detailed assessments of the quality of drinking and surface water, soil and snow blanket were conducted to evaluate air pollution of the resident population and concentrations of heavy metals in the sites of black metallurgy enterprises. Iron-ore extraction has been established to be accompanied by dispersing Class I and Class II toxicants in the environment im-pacted by them.

Key words: heavy metals, pollution, snow blanket, soil, water objects.

Контактная информация:

Даукаев Рустем Аскарович - младший научный сотрудник Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Адрес: 450106, г. Уфа, ул. Ст. Кувыкина, д. 94.

Тел. (347) 255-46-21, факс (347) 255-56-84.

E-mail: ufaland@yandex.ru

Статья поступила 10.01.2008 г.