Šis procesas požemyje taip pat mažai išplitęs. Beje, jis paaiškina toksinio jono – fluorido perteklių kai kuriose Vakarų Lietuvos miestų vandenvietėse: čia, natrio jonui keičiant klintyje buvusį kalcio joną, išsilaisvina ir kalcio surištas fluorido jonas.
Iš šito trumpo aprašo matyti, kad gertis – tik laikinas, ne itin intensyvios taršos pašalinimo mechanizmas. Tiesa, jis leidžia išvengti itin pavojingos mikrobinės, itin toksinės ar net radioaktyviosios požeminio vandens taršos sunkiaisiais metalais ar radionuklidais, nuo kurios visai neapsaugotas paviršinis vanduo.
Tačiau pats sudėtingiausias, bet ir efektyviausias požeminio vandens savivalos mechanizmas yra taršiųjų medžiagų suirimas požemyje arba destrukcija. Mat daugelis taršiųjų medžiagų yra netvarios, nestabilios: dalyvauja įvairiose cheminėse reakcijose ir biocheminiuose procesuose – suskyla į paprastesnes sudėtines dalis, kurios dažniausiai yra mažiau kenksmingos arba net visai nekenksmingos. Taršiųjų medžiagų irimas prasideda jau dirvožemyje bei aeracijos zonoje, tęsiasi sekliausiuose gruntinio vandens ir pačiuose giliausiuose tarpsluoksninio vandens sluoksniuose. Visuose šiuose procesuose dalyvauja tam tikros mikroorganizmų rūšys, savo gyvybinei veiklai naudojančios tokių reakcijų energiją ir kai kuriuos jų produktus. Beveik visos šios reakcijos yra susijusios su vadinamaisiais oksidacijos-redukcijos procesais arba reiškiniais, kurie dažniausiai ir padeda išlaikyti bent jau santykinę teršiamo požeminio vandens švarą, todėl juos verta aptarti detaliau.
Oksidacijos-redukcijos procesai reguliuoja deguonies, nitratų, amonio, geležies, mangano, sieros vandenilio, įvairių organinių junginių formas ir kiekius (koncentracijas) požeminiame vandenyje, todėl jie yra labai svarbūs šio vandens cheminės sudėties formavimosi ir ypač savivalos procesams suvokti.
Fizikiniu-cheminiu požiūriu oksidacijos-redukcijos reakcijos reiškia vieno atomo eletronų perdavimą kitam. Elektronų atidavimas vadinamas oksidacija, prisijungimas – redukcija. Tipiniai elektronų donorai yra įvairios organinės medžiagos, iš jų ir taršios, kurios šiose reakcijose oksiduojasi ir suyra į paprastesnes sudėtines dalis, taip pat dvivalenčiai geležies ir mangano jonai, kurie keičia savo valentingumą ir iškrenta iš vandens trivalentės geležies bei keturvalenčio mangano nuosėdomis.
Elektronų priėmėjais (akceptoriais) tampa deguonis ir kai kurie vandenyje aptinkami jo junginiai (nitratai, sulfatai, anglies dvideginis), iš kurių tas deguonis atimamas, o vandenyje kaupiasi bedeguonės jų formos – amoniakas (amonis), sieros vandenilis, metanas.
Elektronų perdavimo reakcijos yra labai lėtos, tačiau jas nepaprastai paspartina tam tikros bakterijos. Mat oksidacijos-redukcijos reakcijose išsiskiria energija, kurią naudoja tas reakcijas skatinantys mikroorganizmai. Energijos kiekis yra labai nevienodas: didžiausias jis yra tada, kai oksidacijos-redukcijos reakcijose ir mikroorganizmų gyvybinės veiklos procesuose dalyvauja laisvas deguonis (aerobinis kvėpavimas), o mažiausias – kai tą deguonį mikroorganizmams reikia paimti iš sulfatų ar anglies dvideginio. Kadangi gamtoje prioritetiniai yra energetiniu požiūriu efektyviausi procesai, oksidacijos-redukcijos reakcijos vyksta tam tikra seka. Visose jose elektronų donoras yra organinė medžiaga, pažymėta supaprastintu CH2O simboliu, šalia kurio užrašytas elektronų priėmėjas-akceptorius. Dešinėje reakcijos lygčių pusėje užrašyti svarbiausi jų produktai, kurie kaupiasi nuo taršos besivalančiame požeminiame vandenyje.
Nuolat pasipildantis deguonis, dalyvaujant aerobiniams mikroorganizmams, jau aeracijos zonoje nemažai taršiųjų organinių medžiagų suskaido į paprasčiausias sudėtines dalis – anglies dvideginį, amonį ir vandenį. Šis procesas toliau vyksta gilesniuose, bet dar pakankamai deguoniui atviruose požeminio vandens sluoksniuose. Dėl šių procesų gruntiniame vandenyje labai pagausėja angliarūgštės, todėl paspartėja grunto karbonatų tirpinimas, didėja vandens šarmingumas (hidrokarbonatų koncentracija) ir kietumas (kalcio ir magnio jonų suma). Kiek blogiau, kad deguonis sunaudojamas ir organinių medžiagų destrukcijos procesuose susidariusio amonio oksidacijai. Mat aplinkoje, kurioje gausu deguonies, beveik visas šiuo būdu susidaręs amonis paverčiamas nitratais. Štai kodėl tiek daug nitratų aptinkame užterštame sekliame gruntiniame vandenyje, šachtiniuose šuliniuose.
Organinių medžiagų ir amonio oksidacijos procesų mastą reguliuoja deguonies ir taršiųjų medžiagų santykis požemyje, o į jį orui ir vandeniui patekti nėra paprasta. Bet svarbiausia, kad deguonies kiekį vandenyje lemia jo tirpumas, kuris apskritai nėra didelis – priklauso nuo temperatūros, čia jo gali būti ištirpę ne daugiau kaip 10-12 mg/l. Toks deguonies kiekis gali oksiduoti maždaug tokį patį organinės medžiagos kiekį (apie 10 mg/l) ir beveik 3 kartus mažesnį amonio kiekį (apie 3-4 mg/l). Todėl vien tik dėl šių priežasčių intensyvios požeminio vandens taršos židiniuose laisvo deguonies gana greitai pritrūksta. Tuomet jis pirmiausia atimamas iš nitratų, t.y. deguonies redukciją keičia nitratų redukcija. Būtent dėl šios priežasties nitratų dažniausiai nėra ir praktiškai negali būti gilesniuose vandeninguosiuose sluoksniuose.
Nitratų redukcijos metu išlaisvinamas energijos kiekis, mažai skiriasi nuo deguonies redukcijos (aerobinio kvėpavimo). Dėl to net intensyvios gruntinio vandens taršos židiniuose dažniausiai nesusikaupia labai dideli nitratų kiekiai, o dėl nitratų redukcijos ir tolesnės organinės medžiagos oksidacijos „nitratiniu deguonimi” požeminiame vandenyje vėlgi labai pagausėja angliarūgštės ir toliau spartėja karbonatų tirpinimas.
Blogai yra tai, kad požeminiame vandenyje vėl susidaro prielaidos amoniui kauptis. Tačiau šiuo keliu jo čia nesusikaupia labai daug (maždaug 1-2 mg/l), nes nemaža nitratinio azoto dalis dujiniu pavidalu grįžta į atmosferą. Todėl galima padaryti tokią kiek paradoksalią išvadą -saikinga požeminio vandens tarša organinėmis medžiagomis neleidžia jame kauptis nitratams. Beje, denitrifikacijos metu susidaręs amonis nesikaupia požeminiame vandenyje dar ir todėl, kad jį palyginti lengvai sugeria, sorbuoja molis ar šiaip molingas gruntas.
Kai dėl nedidelės taršos ar denitrifikacijos požeminiame vandenyje labai sumažėja nitratų koncentracija, vandeninguosiuose sluoksniuose pradeda karaliauti geležies ir mangano oksidus ar aukštesnio valentingumo jonus redukuojantys mikroorganizmai (bakterijos). Energetiniu požiūriu kita oksidacijos-redukcijos procesų pakopa – trivalentės geležies ar keturvalenčio mangano redukcija – mažai skiriasi nuo deguonies ir nitratų redukcijos pakopų. Todėl požeminiame vandenyje, kitaip nei paviršiniame, visada daugoka redukuotų dvivalenčių geležies ir mangano jonų. Ypač daug dvivalentės geležies susikaupia užterštame požeminiame vandenyje, kuriame jau nebėra ne tik deguonies, bet ir nitratų. Tačiau geležies (iš dalies ir mangano) kaupimąsi vandeninguose sluoksniuose stabdo ne tik deguonis, bet ir kiti procesai, tokie kaip geležies karbonatų ar sulfidų nuosėdų susidarymas, todėl ir jos galimas kiekis požeminiame vandenyje yra ribotas – dažniausiai ne didesnis kaip 1-3 mg/l.
Tuo tarpu gilesniuose, uždaresniuose vandeninguosiuose sluoksniuose, kuriuose deguonies labai maža, o nitratų visai nėra, įsigali sulfatus ir anglies dvideginį redukuojančios bakterijos, kurios tenkinasi kad ir nedideliais iš šių reakcijų gaunamais energijos kiekiais. Šias reakcijas slopina ne tik sulfatų ir anglies dvideginio kiekis, bet ir organinės medžiagos stygius, nes čia svarbiausias jos šaltinis yra giliųjų sluoksnių požeminį vandenį talpinančios uolienos bei šiame vandenyje gyvenantys patys mikroorganizmai, tiksliau -jų gyvybinės veiklos ir jos pabaigos produktai. Apie šių reakcijų vyksmą sprendžiame iš gana specifinių jų produktų – sieros vandenilio, turinčio supuvusių kiaušinių kvapą, ir degiųjų dujų – metano atsiradimo.
Iš viso to išplaukia, kad pati požeminio vandens cheminė sudėtis parodo, kokią taršos ar savivalos pakopą vanduo yra pasiekęs. Taigi švarioje ar menkai teršiamoje aplinkoje sekliuose vandeninguose sluoksniuose ir gilesniųjų sluoksnių mitybos srityse požeminiame vandenyje turi būti pakankamai deguonies, jame gali būti daugiau ar mažiau nitratų, palyginti nedaug geležies ir mangano, čia nėra sieros vandenilio ir metano. Tuo tarpu po užterštomis teritorijomis net gruntiniame vandenyje dažniausiai nebūna ne tik deguonies, bet ir nitratų, užtat čia daug amonio, geležies ir mangano, o gilesnių sluoksnių vandenyje beveik visada galima aptikti sulfatų ir anglies dvideginio redukcijos produktų – sieros vandenilio ir metano. Na, o po tokiais intensyvios taršos židiniais, kaip, pavyzdžiui, sąvartynai ar centrinės senųjų miestų dalys, įvardintų taršos/savivalos pakopų erdvinės išraiškos formų – zonų tvarka neretai būna priešinga.
Požeminio vandens savisaugos ir savivalos nuo taršos galimybės nemažos ir gana efektyvios, tačiau tų procesų pasekmės yra nevienareikšmės: gerai, kad taršios medžiagos suyra, pasišalina iš vandens, tačiau blogai, kad tame vandenyje nebelieka deguonies, jame kaupiasi antriniai tų reakcijų produktai: amonis, geležis, manganas, sieros vandenilis ir net metanas. Be to, yra ir kitų grėsmių, problemų, neleidžiančių požeminio vandens apsaugoje pasikliauti vien gamtiniais jo savigynos mechanizmais.
Problemos
Tos problemos slypi pačiuose požeminio vandens savigynos ir savivalos mechanizmuose. Štai gruntinį vandenį nuo taršos šiek tiek saugo aeracijos zona -nevisiškai įsotinto vandeniu grunto sluoksnis, ir ypač jos pati viršutinė dalis -dirvožemis. Todėl gruntinis vanduo daug lengviau ir greičiau užsiteršia, kai išjudinamas ar net sunaikinamas nuo taršos jį saugantis dirvožemis, o aeracijos zona visiškai įsotinama vandeniu. Taip atsitinka vos ne kiekvieną pavasarį, kai laukai suariami, o sniego tirpsmo vanduo su teršalais susigeria į gruntą. Tačiau didžiausia grėsmė gruntinio vandens cheminei būklei kyla ilgai ir intensyviai laistant žemės paviršių teršalais (pvz., srutų laistymas laukuose). Mat užpildytomis vandeniu ar srutomis didesnėmis grunto poromis ar plyšiais tarša juda net 10 kartų greičiau nei vandeniu neįsotintame grunte. Į daug geriau nuo taršos apsaugotus gilesnius, tarpsluoksninius vandeninguosius horizontus tarša, kaip minėjome, gali patekti per skiriamųjų sluoksnių, vandensparų defektines vietas-vadinamuosius hidrogeologinius langus. Na, o trečiąjį požeminio vandens savisaugos barjerą – hidrostatinį spūdį – eliminuoja intensyvi tarpsluoksninio vandens eksploatacija, kuri dar ir gerokai – kelis ar keliolika kartų paspartina taršos vertikalios ir horizontalios migracijos požemyje greitį.
Tarša gali įveikti ir kitus požeminio vandens savivalos mechanizmus. Antai pavojingiausius, itin nuodingus ar radioaktyvius teršalus stabdo fizikiniai-cheminiai įgerties/sugerties reiškiniai. Bet ir cheminė, ir fizikinė įgertis negali sulaikyti didelių taršiųjų medžiagų kiekių, nes grunto paviršiuje adsorbuojasi tik vienos molekulės, retai – kelių molekulių storio sluoksnis. Todėl intensyvios, ilgalaikės požemio taršos židiniuose grunto gerties geba gali išsieikvoti ir praleisti teršalus gilyn. Yra dar vienas klastingas tokių teršalų patekimo į požemį būdas – gerties mechanizmai nesulaiko, pvz., sunkiųjų ar radioaktyviųjų metalų, jei jie požemyje migruoja chemiškai neutralių kompleksinių junginių pavidalu. Na, o tuos kompleksinius junginius jie gali sudaryti ir su gamtiniais (pvz., dirvožemyje slypinčios humino rūgštys), ir su dirbtiniais (pvz., įvairios sintetinės plovimo priemonės) kompleksonais. Maža to, vėliau juos labai sunku pašalinti iš geriamojo vandens – reikalingos sudėtingos, brangios technologijos.
Požeminio vandens cheminės būklės problemos, susijusios su taršiųjų medžiagų destrukcija, irgi šiek tiek jau minėtos. Pavyzdžiui, dėl taršiųjų organinių medžiagų oksidacijos požeminis vanduo įsotinamas karbonatais, kurie virinant vandenį iškrenta nuosėdomis. Rudos geležies nuosėdos krenta iš vandenruošoje deguonies gavusio požeminio vandens. Oksiduojantis iš suirusių organinių medžiagų išsiskyrusiam amoniakui (amoniui) požeminiame vandenyje kaupiasi nitratai, susidaro ir šiek tiek dar toksiškesnių nitritų. Gilesniuose vandeninguose sluoksniuose nitritai gali atsirasti redukuojantis nitratams. Čia gali kauptis ir denitrifikacijos keliu susidaręs antrinis amonis, kuris vėliau ruošiant geriamąjį vandenį vėl gali tapti antriniu nitritų bei kitų toksinių azoto junginių – chloraminų šaltiniu.
Šalinant iš požeminio vandens sieros vandenilį ir kitus sulfidus susidaro itin smulkios drumzlės, kurias sunku sulaikyti drumzlių koštuvuose.Bėda dar ir ta, kad tik teoriškai vieną taršių medžiagų suirimo ar transformacijos pakopą keičia kita: praktiškai jos susipina ir susimaišo, nes šiuos procesus valdantys mikroorganizmai sugeba prisitaikyti ir prie sparčiai kintančių, ne visada itin palankių jų veiklai ir net egzistencijai sąlygų. Tad eksploatuodami užterštą vandeningąjį sluoksnį galime turėti reikalų ne su kokia nors viena, o su visomis ką tik įvardytomis problemomis iš karto.
Nors gamtiniai požeminio vandens savigynos nuo taršos mechanizmai tikrai galingi ir gana veiksmingi, tam tikras taršių medžiagų kiekis vis tiek patenka į požemį. Dažniausiai jis nėra toks, kad neleistinai sugadintų to požeminio vandens kokybę. Tačiau geriamojo vandens kokybę reglamentuojanti Lietuvos higienos norma HN 24:2003, sudaryta remiantis Pasaulio sveikatos organizacijos rekomendacijomis ir ES direktyvomis, nurodo tik maksimalias taršių medžiagų koncentracijas vandenyje (mūsų atveju – požeminiame, skirtame gerti), kurių negalima viršyti.
Mat ji tik garantuoja, kad tokį vandenį be žalos sveikatai galima gerti visą gyvenimą. Tačiau tai reiškia, kad iki tų ribų užterštas ar kiek apsivalęs nuo taršos vanduo, formaliai atitinkantis tos normos reikalavimus, tinka gerti. Bet tokį pasiteršusį, netekusį deguonies, t.y. negyvą, vandenį turbūt derėtų vertinti kiek kitaip nei visiškai švarų? Turbūt ir jo kaina turėtų būti kitokia?
Be to, iš čia išplaukia ir kiek paradoksali išvada, jog ne tik paviršiniame, bet ir požeminiame vandenyje, tiekiamame vartotojui, gali būti kanalizacinio vandens priemaišų, ir nemažai – tik svarbu, kad vandens kokybės reglamentuojamų rodiklių vertės neviršytų higienos normos nurodytų ribų. Tiesa, naujausios ES direktyvos reikalauja, kad kelių svarbesnių taršos indikatorių vertės požeminiame vandenyje neviršytų ne maksimalias, o tik 75 procentų dydžio minėtos normos jiems nustatytas vertes. Bet kas norėtų gerti tokį gerokai pasiteršusį vandenį, jeigu galima turėti geresnio, švaresnio?Todėl mes, hidrogeologai, esame pasiūlę įteisinti dar ir kitą, papildomą normatyvinį dokumentą, reglamentuojantį požeminio vandens, skirto gerti, kokybę. Projekte siūlome tokio vandens kokybę vertinti mažiausiai pagal tris tos kokybės rodiklių klases (rūšis): pirmosios klasės požeminiame vandenyje neturėtų būti jokių šviežios ar senos, suirusios taršos priemaišų, antrosios klasės vandenyje tų priemaišų koncentracijos neturėtų viršyti pusės minėtos higienos normos rodiklių verčių, o trečiosios – tų verčių bent jau neviršyti.
Tačiau dabar situacija tokia, kad to pirmosios klasės požeminio vandens vis mažėja, o antrosios ir net trečiosios klasės požeminio vandens, formaliai vis dar tinkančio gerti, daugėja. Todėl negalima pasikliauti vien gamtos sukurtais požeminio vandens savigynos nuo taršos mechanizmais ir šiuo požiūriu labai liberalia geriamojo vandens higienos norma, legalizuojančia „saikingą” požeminio vandens taršą. Būtina pasistengti ir įgyvendinti dar turimo švaraus požeminio vandens apsaugos priemones, kurios yra gerai žinomos, tačiau dažniausiai ignoruojamos.
Štai saugant lengviausiai pažeidžiamo gruntinio vandens švarą būtina saugoti ir stiprinti natūralius šio vandens savisaugos barjerus: nenaikinti dirvožemio, saikingai ir laiku tręšti dirvas, atsakingiau žiūrėti, kada ir kiek laistyti srutomis žemdirbystės laukus, kur ir kaip išdėstyti, kaip įrengti tokius koncentruotos požemio taršos židinius kaip sąvartynai, stambūs gyvulininkystės, kiaulininkystės kompleksai. Ypač saugotinos gruntinį vandenį eksploatuojančių vandenviečių kaptažo sritys – plotai, iš kurių jos surenka vandenį. Čia neturėtų būti jokių požeminio vandens taršos židinių. Panašiai reikėtų elgtis ir seklesnius tarpsluoksninio vandens horizontus eksploatuojančių vandenviečių sanitarinės apsaugos zonose, kurios ligi šiol tebėra tik formalūs, geriausiu atveju tik pažymėti planuose ir vis mažėjantys, vis tankiau užstatomi plotai. Mat ūkinę veiklą jose reglamentuojanti higienos norma HN 44:2006 yra dar liberalesnė už geriamojo vandens higienos normą, nes labai sunku ar net neįmanoma įrodyti, kad tose apsaugos zonose numatoma ūkinė veikla neleistinai sugadins iš vandenvietės tiekiamo požeminio/geriamojo vandens kokybę.
Todėl atrodo, kad kai kada bene racionaliausia būtų ne donkichotiškai kovoti su sunkiai išvengiama ir dažnai tik specialistams matoma ir suprantama požeminio vandens tarša, o paieškoti alternatyvių, švarių požeminių geriamojo vandens šaltinių ir geriau juos saugoti. Beje, Lietuvoje jų dar yra.
