Osnovi hidrogeologije V POGLAVLJE FIZIČKO-HEMIJSKI, RADIOLOŠKI I MIKROBIOLOŠKI SASTAV PODZEMNIH VODA
FIZIČKE OSOBINE PODZEMNIH VODA Voda je bezbojna, prozračna tečnost bez ukusa i mirisa, koja se sastoji od 11,11 % vodonika i 88,89 % kiseonika. Molekuli vode obrazuju kristalnu rešetku etku u formi tetraedra (slika V-1). Slika V-1. Model molekula vode (Davis & De Wiest, 1966)
Kombinacije izotopa kiseonika i vodonika obrazuju 18 različitih molekula vode, koje karakterišu određena fizičko-hemijska svojstva prvenstveno temperatura prelaska u sistem vodena para - tečnost - led. Glavne fizičke osobine podzemnih voda su: temperatura, prozračnost, boja, miris, ukus, gustina, viskoznost, stišljivost I elektroprovodljivost.
Foto V-1. Termalna voda u Ribarskoj banji Foto V-2. Termalna voda u Bogatiću
Foto V-3. Razlika u mutnoći usled razrade bunara
HEMIJSKI SASTAV PODZEMNIH VODA GLAVNI IZVORI RASTVORENIH MATERIJA U PODZEMNIM VODAMA Glavni izvori rastvorenih materija u podzemnim vodama su: - atmosferske padavine, - stene i minerali u zemljinoj kori, - organske materije, - vode mora i okeana i - magmatski procesi. FAKTORI I PROCESI FORMIRANJA HEMIJSKOG SASTAVA PODZEMNIH VODA Hemijski sastav podzemnih voda formira se kao rezultat uzajamnog dejstva vode i materije u zemljinoj kori, kao i materija koje vode poreklo iz drugih geosfera. Karakter toga dejstva može se predstaviti sledećom šemom: voda stena gas živa materija Na formiranje hemijskog sastava utiču brojni faktori i procesi koji se dešavaju u zemljinoj kori.
Osnovni faktori formiranja hemijskog sastava Faktori formiranja hemijskog sastava predstavljaju uslove koji omogućavaju stvaranje hemijskog sastava podzemnih voda. Oni uslovljavaju i iniciraju čitav kompleks procesa, koji se javljaju kao neposredan mehanizam u formiranju hemijskog sastava podzemnih voda. Pored prirodnih na stvaranje hemijskog sastava podzemnih voda sve veći uticaj imaju antropogeni faktori (tabela V-1). Tabela V.1. Osnovni faktori formiranja hemijskog sastava podzemnih voda (Pineker,1984) Grupa faktora Fizičko-geografski Geološkotektonski Fizičko-hemijski Fizički Biološki Antropogeni Osnovni faktori Reljef Klima Hidrografija i hidrologija Geološki sastav terena Hemijsko-minerološki sastav stena Tektonika Magmatizam Rastvorljivost hemijskih jedinjenja Hemijska svojstva elemenata Kiselinsko-bazni i oksido-redukcioni uslovi Temperatura Pritisak Vreme Prostor Uticaj mikroorganizama, biljaka i životinja Narušavanje prirodnog režima u toku eksploatacije mineralnih sirovina, eksploatacije podzemnih voda, navodnjavanje i odvodnjavanje poljoprivrednih površina, zagađivanje podzemnih voda
Osnovni procesi formiranja hemijskog sastava podzemnih voda Mehanizam formiranja hemijskog sastava podzemnih voda ogleda se kroz procese koji se odvijaju pri postojanom uzajamnom dejstvu podzemnih voda, stena, gasova i žive materije. Osnovni procesi koji učestvuju u formiranju hemijskog sastava podzemnih voda, prevode materiju u rastvor, prenose je često na znatna rastojanja, odnose iz rastvora, koncentrišu ili razblažuju rastvore (tabela V-52. Tabela V.2. Osnovni procesi formiranja hemijskog sastava podzmenih voda (Pineker, 1984) Grupa procesa Reprodukcija rastvorene materije Prenos rastvorene materije Apsorbcija rastvorene materije Kombinacija prevoda materije u rastvor i izvođenje iz rastvora Dodavanje ili oduzimanje molekula rastvarača (vode) Osnovni procesi Hidroliza Isparavanje i rastvaranje Molekularna difuzija Filtracija (difuzno-konvektivni prenos mase) Kristalizacija (taloženje) soli Sorpcija Jonska zamena Oksidoredukcione i biohemijske reakcije Radioaktivni raspad Hidratacija minerala Dehidratacija minerala Podzemno isparavanje Podzemno zamrzavanje Membranski efekti
OSNOVNI POKAZATELJI HEMIJSKOG SASTAVA PODZEMNIH VODA Veliku ulogu u definisanju hemijskih svojstava podzemnih i prirodnih voda uopšte imaju određeni pokazatelji koji određuju njihov sastav i u znatnoj meri određuju mogućnost prisustva određenih elemenata i jedinjenja, kao i vrstu njihovog migriranja. Ti pokazatelji su ph vrednost, oksido-redukcioni potencijal Eh, tvrdoća i mineralizacija. ph vrednost podzemnih voda ph vrednost predstavlja veličinu koja karakteriše aktivnost ili koncentarciju jona vodonika u rastvorima. Koncentracija jona vodonika u vodenim rastvorima, nezavisno od njihovog porekla, određuje se jonskim proizvodom vode : + - K H O =[H ][OH ] 2 Veličina je postojana, u značajnoj meri zavisna od temperature, a u manjoj meri od pritisaka. Pri temperaturi od 25 C, jonski proizvod vode iznosi 10-14 : + - -14 [H ][OH ]=10
U neutralnoj vodi koncentracije jona H + i OH - su jednake, što znači da koncentarcija jona vodonika iznosi 10-7. Praktično, vrednost ph jednaka je stepenu koncentracije vodonikovih jona sa obratnim znakom. Koncentracija vodonikovih jona održava i kiselu i baznu reakciju vode. Pri vrednosti ph=7 reakcija vode je neutralna, ph<7 kisela, a pri ph>7 bazna. Na osnovu vrednosti ph, sve podzemne vode mogu se podeliti u sledeće grupe: jako kisele vode (ph < 3), kisele vode (ph = 3-5), slabo kisele vode (ph = 5-6.5), neutralne vode (ph = 6.5-7.5), slabo bazne vode (ph = 7.5-8.5), bazne vode (ph = 8.5-9.5) i jako bazne vode (ph > 9.5).
Oksido-redukcioni potencijal Na formu elemenata u podzemnim vodama i uslove njihove migracije, pored ph vrednosti, značajnu ulogu ima oksido-redukcioni potencijal (Eh), koji je u tesnoj vezi s ph vrednošću. Oksido-redukcioni procesi neprekidno se dešavaju u zemljinoj kori. Oksidacija je vezana za otpuštanje elektrona, a redukcija za njihovo sjedinjavanje. Veličina oksido-redukcionog potencijala neke sredine (Eh) može se izraziti sledećom jednačinom: Eh = E + 0.0581 log Ox n Red pri t = o o 20 C gde su: E o - normalni oksidacioni potencijal pri kome su koncentracije oksidacione i redukcione forme međusobno jednake (Ox/Red=1), O x - koncentracija oksidacione forme jedinjenja, R ed - koncentracija redukcione forme jedinjenja i n - broj elektrona koji učestvuje u reakciji.
Oksidacija jedne materije izaziva redukciju druge, pri čemu se reduktor (redukciono sredstvo) oksidiše, a oksidans (oksidaciono sredstvo) redukuje. Oksidacija se manifestuje odnošenjem elektrona, a redukcija prisajedinjavanjem, što se može videti iz sledećeg primera: 2+ 3+ - Fe Fe + e Uopšte, ovaj proces se može predstaviti na sledeći način: Red Ox + n e - gde su: R ed O x n e - - redukcioni oblik jedinjenja, - oksidacioni oblik jedinjenja i - broj elektrona koji učestvuje u reakciji.
Tvrdoća vode Tvrdoća vode uslovljena je sadržajem soli pojedinih elemenata u vodi kao što su Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+, Al 3+, Mn 2+, Ba 2+, Sr 2+ i dr. Izuzev Ca 2+ i Mg 2+, ostali joni se u podzemnim vodama javljaju u malim količinama, tako da tvrdoću čine sume ekvivalenata navedenih jona. Opšta tvrdoća vode. Određena je sumarnim sadržajem svih soli Ca 2+ i Mg 2+ -Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2, MgCO 3, CaSO 4, MgSO 4, CaCl 2 i MgCl 2. Prolazna tvrdoća vode. Određena je sadržajem jona Ca 2+ i Mg 2+, koji se u kipućoj vodi talože u vidu karbonata, usled razlaganja hidrokarbonatnog jona: - 2-2HCO3 = CO3 +H2 O + CO2 2+ 2- Ca + CO3 = CaCO3 Stalna tvrdoća vode. Jednaka je razlici između opšte i prolazne tvrdoće. Nju određuju joni Ca 2+ i Mg 2+, koji posle ključanja ostaju u vodi, sjedinjeni sa Cl - i SO 4 2-. Tvrdoća se izražava u stepenima, mg ekv ili mg/l. U našoj zemlji najčešće je u upotrebi nemački stepen ( dh), kome odgovara 10 mg CaO rastvorenog u 1 l vode, ili njemu ekvivalentan sadržaj od 7.2 mg/l MgO:
o 1 dh = 10mg/l CaO = 7.2mg/l MgO = 0.357mg.ekv.Ca 2+ +Mg 2+ U upotrebi su još francuski, engleski i američki stepen. Tvrdoća o dh Tip vode 0-4 Veoma meka 4-8 Meka 8-12 Umereno tvrda 12-18 Dosta tvrda 18-30 Tvrda > 30 Vrlo tvrda Tabela V.4. Klasifikacija voda prema tvrdoći po Klut-u Tvrdoća (mg CaCO 3 ) Tip voda 0-75 Meke 75-150 Umereno tvrde 150-300 Tvrde > 300 Vrlo tvrde Tabela V.5. Klasifikacija voda prema tvrdoći (Sawyer & McCarty) Za piće su najbolje vode tvrdoće do 15 dh.
Mineralizacija podzemnih voda Mineralizacija podzemnih voda predstavlja sumu svih mineralnih materija u vodi. Mineralizacija se određuje preko suvog ostatka, uparavanjem uzorka vode na temperaturi 110 C. Izražava se u mg/l ili g/l kod malomineralizovanih voda, a kod rasola ili visokomineralizovanih voda mg/kg ili g/kg. Na osnovu veličine ukupne mineralizacije, sve podzemne vode mogu se izdvojiti u dve grupe: malomineralizovane (slatke) i mineralizovane (tabela V-6): Tabela V.6. Klasifikacija podzemnih voda na osnovu ukupne mineralizacije Podzemne vode Ukupna mineralizacija Malomineralizovane (slatke) < 1.0 g/l Mineralizovane: > 1 g/l a) povećane mineralizacije 1-5 g/l b) srednje mineralizacije 5-15 g/l c) visoke mineralizacije 15-35 g/l d) rasolne vode > 35 g/l
KOMPONENTE HEMIJSKOG SASTAVA PODZEMNIH VODA Podzemne vode sadrže bogatstvo mineralnih komponenata koje uključuju slobodne jone, nedisosovane molekule i kompleksna jedinjenja. Slobodni joni preovlađuju u podzemnim vodama i određuju njen hemijski tip, dok se nedisocirani joni i kompleksna jedinjenja nalaze u beznačajnim količinama i karakterišu specifičan sastav vode. Suma svih mineralnih komponenata sadržanih u podzemnim vodama određuju njenu mineralizaciju. Među najvažnije komponente koje određuju mineralizaciju i hemijski tip vode spadaju Na +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, HCO 3-, SO 2-4 i H 4 SiO 4. Ovi elementi predstavljaju primarne komponente hemijskog sastava podzemnih voda (tabela VI-13). Određene komponente kao što su: K, F, B, Sr, Fe, CO 2-3 i jedinjenja azota, takođe su široko rasprostranjene u podzemnim vodama. Ove komponente, koje ne određuju osnovni hemijski sastav, ali u određenim uslovima mogu formirati specifične tipove podzemnih voda, predstavljaju sekundarne komponente (tabela V.7). Primarne i sekundarne komponente čine grupu makrokomponenti u podzemnim vodama. Svi ostali elementi u podzemnim vodama nalaze se u rasejanom stanju, relativno su niskih koncentracija ili ih ima samo u tragovima (tabela V.7). Najčešće se nazivaju jednim imenom - mikrokomponente. Iako ne određuju hemijski tip vode, imaju veliki uticaj na formiranje specifičnih osobina podzemnih voda.
Makrokomponente Mikrokomponente Mikrokomponente Primarne komponente (1-1000 mg/l) Sekundarne komponente (0.01-10 mg/l) (0.0001-0.1 mg/l) u tragovima (manjeod0.001 mg/l) Natrijum (Na) Kalcijum (Ca) Magnezijum (Mg) Hidrokarbonat (HCO 3 ) Sulfat (SO 4 2- ) Hlorid (Cl-) Silicijum dioksid (SiO 2 ) Silicijumova kiselina (H 4 SiO 4 ) *Ovi elementi su nestalni u podzemnim vodama Gvožđe (Fe) Stroncijum (Sr) Kalijum (K) Karbonat (CO 3 2- ) Jedinjenja azota (N) Fluor (F) Bor (B) Antimon (Sb)* Aluminijum (Al) Arsen (As) Barijum (Ba) Brom (Br) Kadmijum (Cd)* Hrom (Cr)* Kobalt (Co) Bakar (Cu) Germanijum (Ge)* Jod (J) Olovo (Pb) Litijum (Li) Mangan (Mn) Molibden (Mo) Nikal (Ni) Fosfati Rubidijum (Rb)* Selen (Se) Titan (Ti)* Uranijum (U) Vanadijum (V) Cink (Zn) Berilijum (Be) Bizmit (Bi) Cerijum (Ce)* Cezijum (Cs) Galijum (Ga) Zlato (Au) Indijum (In) Lantan (La) Niobijum (Nb)* Platina (Pt) Radijum (Ra) Rutenijum (Ru)* Skandijum (Sc)* Srebro (Ag) Talijum (Tl)* Torijum (Th)* Kalaj (Sn) Volfram (W)* Iterbijum (Yb) Itrijum (Y)* Cirkonijum (Zn)* Tabela V.7. Pregled makro i mikro komponenata u podzemnim vodama (Davis & De Wiest, 1966)
Makrokomponente u podzemnim vodama Primarne komponente. - osnovni anjoni (HCO 3-, SO 4 2-, Cl - ) i - osnovni katjoni (Na +, Ca 2+,Mg 2+ ). Sekundarne komponente. U sekundarne makrokomponente spadaju: gvožđe (Fe 2+ i Fe 3+ ), fluor (F), kalijum (K + ), jedinjenja azota (NH 4+, NO 2 - i NO 3- ), karbonatni jon (CO 3 2- ), stroncijum (Sr) i bor (B).
Foto VI-7. Rudničke vode sa visokim sadrzajem Fe, rudnik Lipa Foto V.8. Rudničke vode sa visokim sadrzajem Fe, rudnik Majdanpek
Foto VI-9 i 10. Vode sa visokim sadržajem Fe (napušteni potkop na Crnom Vrhu kod Bora)
Mikrokomponente u podzemnim vodama Mikrokomponente ne određuju hemijski tip podzemnih voda, ali mogu imati značajan uticaj na formiranje njihovih specifičnih osobina i na biološke procese u prirodi. U podzemnim vodama otkriveno je više od 40 mikrokomponenata. One se u podzemnim vodama mogu naći u vidu prostih jona, molekula, koloidnih i lebdećih čestica, kao i u vidu minerala i organskih kompleksa. Važnije mikrokomponente mogu se svrstati u nekoliko grupa: mikrokomponente koje obrazuju anjone (J, Mo, As, Se), alkalni metali (Li, Rb, Cs), rasejani metali (Be), halkofilni elementi (Zn, Cu, Pb, Ag) i radioaktivni elementi (U, Ra). Izvori mikrokomponenata u podzemnim vodama najčešće su rudni minerali (Zn, Cu, Pb, Ag, Mo, U, As), akcesorni minerali u pojedinim stenama (Be, Se), organske materije (J, Mo), morska voda (J), kao i niz magmatskih, metamorfnih i halogenih stena (Li, RB, Cs).
Foto V-11. Rudničke vode sa viskokim sadržajem Cu u Iranu (lokalnost Sar Chesmeh Kermanska oblast) Foto VI-12. Rudničke vode sa viskokim sadržajem Cu (rudnik Veliki Krivelj)
GASNI SASTAV PODZEMNIH VODA U podzemne vode gasovi dospevaju iz atmosfere, tokom degazacije mantla, hemijskim i biohemijskim procesima u zemljinoj kori. Gasovi u podzemnim vodama nalaze se kako u rastvorenom, tako i u slobodnom stanju. Pri umanjenju pritiska, rastvoreni gasovi prelaze u slobodne. Rastvorljivost gasova u podzemnim vodama zavisi od temperature. S povećanjem temperature, smanjuje se i njihova rastvorljivost. Najrasprostranjeniji gasovi u podzemnim vodama su: kiseonik (O 2 ), ugljendioksid (CO 2 ), vodoniksulfid (H 2 S), vodonik (H 2 ), metan (CH 4 ), teški ugljovodonici (etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10 ), azot (N 2 ) i plemeniti gasovi (helijum - He i argon - Ar). Gasovi u podzemnim vodama su atmosferskog, biogenog i radioaktivnog porekla.
Foto VI.13 i VI.14. Pojava gasova na izvoru Banjica u Čedovu (Pešterska visoravan)
KLASIFIKACIJA PODZEMNIH VODA NA OSNOVU HEMIJSKOG SASTAVA Klasifikacija podzemnih voda na osnovu hemijskog sastava bila je predmet izučavanja brojnih autora, tako da danas u stručnoj literaturi srećemo više različitih podela. Osim na opštoj mineralizaciji, najveći broj autora svoje klasifikacije bazira na prisustvu preovladavajućih jona i određenih specifičnih komponenti. Najčešće su u upotrebi klasifikacije Sulina, Ščukareva, Slavjanova, Tolstihina, Alekina, Ivanova, Valaška, Aleksandrova i Nevraeva. Nijedna njihova klasifikacija nije sveobuhvatna, odnosno do danas nije postavljena univerzalna klasifikacija podzemnih voda na osnovu hemijskog sastava. Postojeće klasifikacije imaju niz nedostataka. Jedne uopštavaju predstavu o sastavu podzemnih voda nekog regiona, dok su druge prilagođene svrhama (mineralne vode, naftne vode, rasoli i sl)..
Klasifikacija Alekina zasniva se na odnosu preovlađujućih jona. Po njoj, sve podzemne vode dele se na klase, grupe i tipove (slika V-2). Slika V.2. Klasifikaciona šema podzemnih voda po preovlađujućim anjonima i katjonima (Alekin, 1936) Za oznaku klasa, grupa i tipova u datoj klasifikaciji koriste se simboli. Tako se za klase koriste simboli C (HCO 3- ), S (SO 4 2- ) i Cl (Cl - ), za grupe Na (Na + ), Ca (Ca 2+ ) i Mg (Mg 2+ ). Tipovi se označavaju simbolima I, II, III i IV. Karakteristike osnovnih tipova podzemnih voda date su u tabeli VI-17.
Tabela V.8. Karakteristike osnovnih tipova podzemnih voda (Alekin, 1936) Tip I Odnos između osnovnih anjona i katjona HCO 2+ 2+ 3 > Ca + Mg Opšte karakteristike Malomineralizovane, meke vode II HCO 2+ 2+ 2 3 < Ca + Mg < HCO3 + SO4 Malomineralizovane i mineralizovane, tvrde vode III IV 2 2 + 2 + 3 4 HCO + SO < Ca + Mg HCO 3 = 0 Slane vode i rasoli Kisele vode
HEMIJSKE ANALIZE PODZEMNIH VODA I FORME IZRAŽAVANJA REZULTATA HEMIJSKIH ANALIZA Analiza vode predstavlja određivanje njenog hemijskog, gasnog, radoaktivnog i mikrobiološkog sastava i fizičkih osobina. U zavisnosti od cilja istraživanja, u vodi se određuju: fizička i organoleptička svojstva (temperatura, boja, ukus, miris, prozračnost, elektroprovodljivost, gustina), sadržaj rastvorenih mineralnih, organskih i radioaktivnih materija, sadržaj rastvorenih i slobodnih gasova, osnovni pokazatelji hemijskog sastava (opšta mineralizacija, Eh, ph i različiti vidovi tvrdoće) i izotopski i mikrobiološki sastav. Sadržaj hemijskih analiza i stepen tačnosti njihovih rezultata određuje se na osnovu zadataka i etapa istraživanja. Sadržaj pojedinih mineralnih komponenti hemijskog sastava izražava se u mg/l, mg ekv/l i mg ekv %. Pri većim mineralizacijama (rasolne vode), sadržaj komponenti izražava se u g/kg, a mikrokomponenti u μg/l. Sadržaj rastvorenih gasova izražava se u mg/l ili %. 1 μg/l = 10-6 g/l.
Za sistematizaciju rezultata hemijskih analiza ispitivanih podzmenih voda koriste se tabele, formule i različiti tipovi dijagrama. Zavisno od cilja istraživanja, tabelarno se prikazuje sadržaj osnovnih jona, metala, rastvorenih i slobodnih gasova, radioaktivnost, mineralizacija i određena fizička svojstva (tabela V.9). Kad je u pitanju analitičko predstavljanje rezultata hemijskih analiza, često se koristi formula Kurlova u modifikovanom obliku: 3 4 HCO SO Cl Sp, G, M Ca Mg Na Eh, ph, TV, t gde su: Sp - sadržaj specifičnih komponenti, odnosno mikrokomponenti (μg/l), G - sadržaj gasova (mg/l), M - ukupna mineralizacija (g/l), HCO 3, SO 4, Cl, Ca, Mg, Na - primarne komponente (% ekv) poređane po veličini sadržaja iznad 5 % ekv, Eh - oksidaciono-redukcioni potencijal (mv), TV - ukupna tvrdoća ( odh) i t - temperatura (oc).
Tabela V.9. Tabelarni prikaz hemijskog sastava podzemnih voda iz potkopa Gornja lipa u istočnoj Srbiji Komponente hemijskog sastava Vrednosti Organoleptička svojstva Temperatura ( o C) 8.8 Boja Bez Mutnoća Bistra Prozračnost Prozračna Miris Bez Osnovni pokazatelji hemijskog sastava Ukupna mineralizacija (mg/l) 7009.2 Električna provodljivost (μs/cm) 2400 ph vrednost 2.83 Eh (mv) 307 Opšta tvrdoća ( o dh) 71.62 Prolazna tvrdoća ( o dh) 0 Stalna tvrdoća ( o dh) 71.62 Primarne makrokomponente (mg/l) Hloridi (Cl - ) 10.20 Hidrokarbonati (HCO 3- ) 0.0 Sulfati (SO 2-4 ) 5000.00 Natrijum (Na + ) 10.50 Kalcijum (Ca 2+ ) 360.00 Magnezijum (Mg 2+ ) 92.20 Silicijum (SiO 2 ) 107.8 Komponente Vrednosti hemijskog sastava Sekundarne makrokomponente (mg/l) Kalijum (K) 6.30 Gvožđe (Fe) 1080 Bor (B) 0.04 Stroncijum (Sr) 1.71 Nitriti (NO 2 ) 0.001 Nitrati (NO 3 ) 7.20 Mikrokomponente (mg/l) Bakar (Cu) 4.20 Barijum (Ba) 0.01 Cink (Zn) 22.60 Aluminijum (Al) 248.60 Arsen (As) 4.20 Olovo (Pb) 0.60 Gasovi (mg/l) Rastvoren O 2 2.5 Rastvoren CO 2 0.0
Pored navedene, koriste se formule materijalnog sastava, formule gasnog i sonog sastava i druge. Za sistematizaciju rezultata hemijskih analiza u hidrogeologiji se često primenjuju grafičke metode, koje su obično u tesnoj vezi sa hidrohemijskim klasifikacijama. Osim što omogućavaju preglednost rezultata hidrohemijskih ispitivanja, grafici imaju prednost pri uspostavljanju odgovarajućih zakonomernosti i njihovoj interpolaciji.u stručnoj praksi koristi se velik broj grafika, odnosno dijagrama, od kojih su ovde prikazani samo neki: grafikon vertikalnih kolona, dijagram ortogonalnih koordinata, semilogaritamski dijagram, vektorski dijagram, kružni dijagram i trilinearni dijagram.
RADIONUKLIDI U PODZEMNIM VODAMA Nestabilni nuklidi, koji imaju sklonost ka spontanoj promeni u druge vrste nuklida kroz različite reakcije raspada (dezintegracija), zovu se radionuklidi (Walton, 1970). Svojstvo nestabilnih nuklida da prelaze u postojanija stanja, pri čemu dolazi do oslobađanja energije naziva se radioaktivnost. Pri svakom od raspada dolazi do emisije odgovarajućih čestica ili elektromagnetnih talasa. Utvrđeno je da jezgra atoma mogu emitovati tri vrste zračenja (radioaktivno zračenje): alfa (α), beta (β) i gama (γ). Alfa zraci su jezgra atoma helijuma, beta zraci elektroni, a gama zraci elektromagnetni talasi vrlo male talasne dužine. Aktivnost radioaktivnog izvora meri se jedinicama koje se nazivaju bekereli. Jedan bekerel odgovara jednom raspadu (dezintegraciji) bilo kog radionuklida u jednoj sekundi: 1Bq = 1 1s -1 = s Količina radionuklida u podzemnim vodama određuje se indirektnim merenjem broja reakcija raspada tokom date dužine vremena. Izražava se u Bq/l.
Poreklo radionuklida u podzemnim vodama Po svom poreklu, radionuklidi mogu biti prirodni i veštački. Prirodni radionuklidi. Tokom čitave istorije naše planete, radijacija do njene površine dopire iz kosmosa i radioaktivnih materijala koji se nalaze u zemljinoj kori. Glavni radioaktivni materijali u zemljinoj kori su dugoživeći radionuklidi i produkti raspada radioaktivnih nizova 238 U, 235 U i 232 Th. Dugoživeći radionuklidi karakterišu se dugim periodom poluraspada. Nazivaju se i primarnim radionuklidima. Najraspostranjeniji su: 87 Rb, 232 Th, 40 K i 238 U. Produkti raspada 238 U, 235 U i 232 Th. Teški radionuklidi čiji je redni broj veći od 83, a koji se nalaze u prirodi, mogu se grupisati u tri radioaktivna niza (Milojević, 1995). Posle niza α- ili β- raspada, ovi radionuklidi se transformišu u stabilne izotope olova. Po svojim prvim članovima (rodonačelnicima), nazvani su nizovima 238 U, 235 U i 232 Th. Opšte karakteristike pomenutih nizova su sledeće: Rodonačelnici porodica (nizovi) imaju dugi period poluraspada (108-1010 godina). U sredini svakog niza javljaju se gasne emanacije sa rednim brojem 86 ( 222 86 Rn, 220 86 Rn i 219 86 Rn). Gasne emanacije se raspadaju dajući kratkoživeće radionuklide. Nizovi se završavaju stabilnim izotopima olova: 238 U 206 Pb, 235 U 207 Pb i 232 Th 208 Pb
Radionuklidi atmosferskog porekla. Kosmički zraci direktno ozračuju Zemlju stupajući u interakciju sa atmosferom, pri čemu se stvaraju nove vrste radionuklida. Karakteristike nekih radionuklida ove vrste date su u tabeli V.10. Tabela V.10. Karakteristike nekih kosmogenih radionuklida (Draganić, 1996) Radionuklid Period poluraspada (godina) Ukupna količina na površini Zemlje 3 H 12.33 7 kg 10 Be 1.66 x 10 6 430 tona 14 C 5730 75 tona 26 Al 7.2 x 10 5 1.1 tona 32 Si 104 2 kg 35 S 0.24 4.5 kg 36 Cl 3.01 x 10 5 15 tona 39 Ar 269 -
Najpoznatiji u ovoj grupi radionuklida su tricijum - 3 H i radioaktivni ugljenik - 14 C. Posebno je značajan ugljenik - 14 C, koji se u hidrogeologiji koristi, za određivanje starosti podzemnih voda i dr. Radionuklidi veštačkog porekla. U nuklearnim reakcijama prilikom proba nuklearnog oružja, pri procesu dobijanja nuklearne energije i sl, stvara se niz novih radionuklida. Među njima se posebno ističu stroncijum (Sr-90) i cezium (Cs-137), koji često kontaminiraju podzemne vode i predstavljaju opasnost za zdravlje čoveka. Odkad se vrše probe nuklearnog oružja, pored stvaranja novih, došlo je do povećanja koncentracije kosmogenih radionuklida. Tako su koncentracije tricijuma - 3H povećane 5-10 puta. Izvor radionuklida u podzemnim vodama mogu biti i agrotehničke mere kojima se vrši sistematsko obogaćivanje 238 U i 40 K iz veštačkih đubriva, a koje nije akcidentnog karaktera.
Radioaktivnost podzemnih voda Sve podzemne vode su osim retkih izuzetaka, u određenom stepenu radioaktivne. Njihova radioaktivnost uglavnom potiče od radionuklida 238 U, 235 U i 232 Th. U manjem stepenu radioaktivnost potiče i od kalijuma - 40 K i rubidijuma - 87 Rb. Pored navedenih, u podzemnim vodama se javljaju i drugi radionuklidi prirodnog i veštačkog porekla (tabela V.11). Sadržaj radionuklida u podzemnim vodama je znatno manji nego u stenama. Najveće koncentracije radionuklida nalaze se u podzemnim vodama ležišta urana. Migrativnost i koncentracija radionuklida u podzemnim vodama, pored njihovog karaktera, zavisi i od drugih faktora, kao što su: geohemijski uslovi sredine (ph - Eh). hemijski sastav podzemnih voda, mineraloški i hemijski sastav stena, granulometrijski sastav stena, jonska zamena i dr.
Radonuklidi jod - 131 J i sumpor - 35 S ne adsorbuju se mineralnim česticama stena kroz koje cirkulišu podzemne vode. Drugi radionuklidi, kao što su stroncijum - 90 Sr, rutenijum - 106 Ru, uran - 235 U i cezijum - 137 Cs, slabo se adsorbuju mineralnim česticama. Koncentracija radionuklida atmosferskog (kosmogenog) porekla znatno je manja u podzemnim vodama nego u površinskim. Ovi radionuklidi dospevaju u podzemne vode putem atmosferskih padavina. U dubljim vodonosnim sredinama, koncentracija kratkoživećih radionuklida praktično je ravna nuli. Tako se tricijum - 3H sreće samo u plićim vodonosnim sredinama. Od prirodnih radionuklida, najzastupljeniji u podzemnim vodama su uran, radijum i radon.
Tabela V.11. Karakteristike nekih radionuklida koji se javljaju u podzemnim vodama (Walton, 1970) Radionuklid Vreme poluraspada Radijacija 131 Ba 13 d γ 140 Ba 12.8 d β, γ 82 Br 36 d β, γ 45 Ca 153 d β 14 C 5600 g β 144 Ce 290 d β, γ 135 Cs 2.9 x 10 6 g β 137 Cs 33 g β, γ 36 Cl 4 x 10 5 g β 51 Cr 27.8 d γ 57 Co 270 d β, γ 60 Co 5.3 g β, γ 3 H 12.4 g β 129 J 1.72 x 10 7 g β, γ 131 J 8.04 d β, γ 32 P 14.3 d β 238 Pu 92 g α, γ Radionuklid Vreme poluraspada Radijacija 240 Pu 6580 g α 242 Pu 5 x 10 5 g α 226 Ra 1620 g α, γ 228 Ra 6.7 g β 222 Rn 3.83 d α 86 Rb 18.7 d β, γ 87 Rb 6 x 10 10 g β 103 Ru 40 d β, γ 106 Ru 1 g β 22 Na 2.6 g β, γ 89 Sr 51 d β 90 Sr 29 g β 35 S 88 d β 235 U 7.1 x 10 8 g α 238 U 4.5 x 10 9 g α, γ 65 Zn 245 d β, γ g - godina, d - dan
ORGANSKE MATERIJE U PODZEMNIM VODAMA U podzemnim vodama prisutne su brojne organske komponente različite geneze. To su najčešće humusne i fulvinske kiseline, naftenati, bitumija, fenoli, organski azot i organski ugljenik. Izvor organskih materija u podzemnim vodama je raznovrstan. To mogu biti atmosferski talozi, površinske vode, zemljište (humus), okeanske (morske) vode, određene vrste sedimentnih stena, tresetišta, blatišta, ležišta uglja, nafte i gasa, kao i antropogeni faktori. Opšta količina organskih materija u podzemnim vodama određuje se preko utroška KMnO 4 ili O 2 (1 mg O 2 ili 4 mg KMnO 4 = 21 mg organske materije).
MIKROORGANIZMI U PODZEMNIM VODAMA Mikroorganizmi obuhvataju heteorgenu grupu organizama za koje je zajednička mikroskopska veličina (ne mogu se videti slobodnim okom jer su sitniji od 0.1 mm), brzi rast i razmnožavanje i široka geografska rasprostranjenost. Iako velika raznolikost ovih organizama uzrokuje teškoće u njihovoj klasifikaciji, oni se mogu svrstati u tri grupe (Simić, 1988): prokarioti (bakterije i cijanobakterije), eukarioti (alge, gljive i protozoe) i bezćelijski organizmi (virusi). Bakterije. Alge Gljive Protozoe (praživotinje) Virusi. Pored navedenih grupa mikroorganizama, pojedini mikrobiolozi izdvajaju i grupu aktinomiceta i rikecija. Aktinomicete su, po njima, mikroorganizmi koji sistematski zauzimaju mesto između bakterija i gljiva, a rikecije između bakterija i virusa. Savremena mikrobiologija ove mikroorganizme svrstava u grupu bakterija.
Rasprostranjenost mikroorganizama u prirodi Mikroorganizmi su veoma rasprostranjeni u prirodi. Mogu se naći u vazduhu, zemljištu i vodi. Gornji slojevi zemljišta sadrže gotovo sve mikroorganizme. Najviše ih je u humusnom pokrivaču dubine do 15 cm, gde se u jednom gramu humusa može naći i do 25 milijardi mikroorganizama. U slatkim vodama razvija se bogatija i raznovrsnija populacija mikroorganizama nego u slanim. Pored globalnog značaja za kruženje materije, vodeni mikroorganizmi su važni činioci procesa bioprečišćavanja zagađenih voda. U vazduhu se mikroorganizmi zadržavaju samo privremeno i u malom broju, jer tu nema uslova za njhiovu metaboličku aktivnost. Svi mikroorganizmi, u odnosu na uslove sredine u kojoj se razvijaju dele se na aerobne, anaerobne i fakultativno anaerobne. Aerobni organizmi Anaerobni organizmi Fakultativno anaerobni organizmi
Prema sposobnosti stvaranja energije za svoju aktivnost, svi mikroorganizmi se dele na dve grupe: fototrofne i hemotrofne. Fototrofni mikroorganizmi Hemotrofni mikroorganizmi. Mikroorganizmi koji se hrane mrtvom organskom materijom nazivaju se saprofiti, a mikroorganizmi koji se hrane na račun žive materije nazivaju se paraziti. U grupu parazita spadaju i patogeni mikroorganizmi, koji izazivaju bolesti kod biljaka, ljudi i životinja. U podzemnim vodama nalazi se veliki broj mikroorganizama, i do nekoliko miliona u 1 ml vode, koji dospevaju u vodu iz raznih izvora: iz tla, vazduha, atmosfere i površinskih voda, iz samih stena i na račun delatnosti živih organizama.
U odnosu na temperaturne uslove, izvršena je podela mikroorganizama na psihrofilne, mezofilne i termofilne (tabela V.12). Osim temperaturom, količina mikroorganizama u podzemnim vodama uslovljena je i prisustvom organskih materija, rastvorenog kiseonika, određenom vrednosti ph sredine i dr. Tabela V.12. Klasifikacija mikroorganizama prema temperaturnim uslovima (Taube & Baranova, 1983) Grupa T ( o C) Minimalna Optimalna Maksimalna Psihrofilni -5 do +5 15 do 18 10 do 22 Mezofilni 10 do 15 20 do 25 35 do 37 35 do 45 Termofilni 40 do 45 55 do 75 60 do 80
Mikroorganizmi u podzemnim vodama Najrasprostranjenija grupa mikroorganizama u podzemnim vodama su bakterije. U prirodnim vodama obično se nalaze sledeće grupe bakterija (Milojević, 1995): fluorescentne bakterije, hromogene, uključujući ljubičaste, crvene i žute oblike, bakterije iz plemena Ešerihija, bakterije iz plemena Proteja, nesporogeni štapići koji ne razvijaju ni gas iz ugljenih hidrata, ni pigmente, niti obrazuju kolonije slično Proteusu, ali likvefikuju želatin, sporogeni štapići tipa Bacillus sublitis i bele, žute i ružičaste koke. U grupu mikroorganizama, koji se u normalnim uslovima ne nalaze u podzemnim vodama, spadaju: gram-pozitivni sporogeni štapić iz reda anaeroba Clostridium, koji u tečnim podlogama razvija gas iz ugljenih hidrata, gram-pozitivne koke iz reda Streptococcus, gram-negativni nesporogeni štapići iz rodova Escherichia, Aerobacter i Proteus, koji se ne smatarju patogenima, organizmi iz reda Salmonella, opasnih patogena i organizmi iz reda Shigella, opasnih patogena, kao i izvesni submikroskopski oblici (virusi i bakteriofage).
Litotrofni mikroorganizmi Za formiranje hemijskog sastava podzemnih voda bitan značaj imaju mikroorganizmi čije je osnovno stanište litosfera, a osnovni izvor hranjenja je razlaganje mineralnih i organskih materija. To su razne vrste bakterija koje vrše ili pospešuju oksidaciju mineralnih i organskih materija u različitim geohemijskim uslovima, pri čemu se često obrazuju pojedini gasovi: H 2 S, CO 2, CH 4, N 2, H 2 i dr. U grupu litotrofnih bakterija spadaju: tionske, sumporovite, sulfatoredukujuće, metanske, vodonične, gvožđevite i nitrifikujuće.