Chất lượng nước là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chất lượng nước

Chất lượng nước là khả năng của nước trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn về sức khỏe và môi trường đối với một mục đích sử dụng cụ thể, như cấp nước sinh hoạt, sản xuất công nghiệp hoặc bảo tồn hệ sinh thái. Theo EPA, chất lượng nước được xác định thông qua tập hợp các chỉ tiêu vật lý, hóa học, sinh học và vi sinh, phản ánh mức độ an toàn và phù hợp của nguồn nước đó.

Chất lượng nước không phải là một trạng thái tuyệt đối mà phụ thuộc vào mục tiêu sử dụng cụ thể. Ví dụ, nước dùng trong công nghiệp có thể chấp nhận nồng độ kim loại nặng cao hơn nước uống. Nước tưới tiêu yêu cầu ít về vi sinh vật nhưng cần giới hạn chất rắn hòa tan để không ảnh hưởng đến đất và cây trồng. Do đó, đánh giá chất lượng nước luôn phải đặt trong ngữ cảnh sử dụng rõ ràng.

Chất lượng nước còn là chỉ số phản ánh sức khỏe của hệ sinh thái thủy sinh. Nguồn nước đạt chất lượng tốt sẽ duy trì cân bằng sinh học, hỗ trợ đa dạng loài và ngăn chặn sự phát triển quá mức của tảo hoặc vi khuẩn gây bệnh. Các yếu tố này được tích hợp trong việc xây dựng các chỉ số tổng hợp như Water Quality Index (WQI), cho phép so sánh chất lượng nước giữa các địa điểm và thời gian khác nhau.

Thành phần và thông số chất lượng nước

Để đánh giá toàn diện chất lượng nước, người ta phân tích một loạt thông số thuộc bốn nhóm chính: vật lý, hóa học, sinh học và vi sinh. Mỗi nhóm chỉ tiêu đại diện cho một khía cạnh khác nhau của nước, từ khả năng cảm nhận qua giác quan đến rủi ro tiềm ẩn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sinh vật.

• Thông số vật lý: bao gồm độ đục, nhiệt độ, màu sắc, mùi vị. Đây là các yếu tố dễ đo đạc tại hiện trường và ảnh hưởng trực tiếp đến cảm quan sử dụng nước.
• Thông số hóa học: gồm pH, độ cứng, độ dẫn điện, nồng độ các ion (Cl^-, SO₄²⁻, NO₃⁻), kim loại nặng (Pb, Hg, Cd, As) và hợp chất hữu cơ như thuốc trừ sâu, phenol.
• Thông số sinh học: chủ yếu là sự hiện diện của tảo, sinh vật phù du và các dạng sống khác chỉ thị mức độ dinh dưỡng hoặc ô nhiễm hữu cơ.
• Thông số vi sinh: bao gồm tổng coliform, E. coli, virus và vi khuẩn gây bệnh. Đây là chỉ tiêu quan trọng trong đánh giá nước uống và nước sinh hoạt.

Bảng dưới đây tóm tắt một số thông số điển hình theo khuyến nghị của WHO cho nước uống:

Thông số	Giới hạn (WHO)	Ý nghĩa
pH	6.5 – 8.5	Ảnh hưởng đến vị nước, khả năng ăn mòn đường ống
Độ đục	< 5 NTU	Chỉ thị ô nhiễm chất rắn lơ lửng
Arsen (As)	< 0.01 mg/L	Gây ung thư nếu tích tụ lâu dài
E. coli	0 CFU/100mL	Chỉ thị ô nhiễm phân, nguy cơ bệnh tiêu hóa

Các nguồn gây ô nhiễm chất lượng nước

Chất lượng nước suy giảm chủ yếu do các nguồn thải trực tiếp hoặc gián tiếp từ hoạt động của con người. Nguồn ô nhiễm được chia thành hai loại chính: ô nhiễm điểm và ô nhiễm không điểm. Ô nhiễm điểm đến từ nguồn xác định như ống xả thải của nhà máy, trạm xử lý, bệnh viện; trong khi ô nhiễm không điểm đến từ nước mưa chảy tràn qua bề mặt đất, mang theo chất ô nhiễm từ nhiều vị trí không kiểm soát được.

Các loại ô nhiễm phổ biến bao gồm:

• Ô nhiễm hóa học: từ hoạt động công nghiệp, sản xuất, khai thác khoáng sản và nông nghiệp thâm canh.
• Ô nhiễm vi sinh: do nước thải sinh hoạt chưa xử lý, chăn nuôi gia súc gia cầm, nghĩa trang.
• Ô nhiễm hữu cơ: chất thải thực phẩm, xác động vật, phụ phẩm sản xuất nông nghiệp.
• Ô nhiễm nhiệt và mặn hóa: do khai thác nước ngầm quá mức hoặc nước làm mát từ nhà máy nhiệt điện.

Tác động của các nguồn ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến nước mặt mà còn đe dọa nghiêm trọng đến nguồn nước ngầm, vốn khó kiểm soát và phục hồi. Một số chất ô nhiễm như kim loại nặng hoặc thuốc bảo vệ thực vật tồn tại lâu dài và khó phân hủy, tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn gây hậu quả lâu dài cho sức khỏe con người.

Phương pháp đánh giá chất lượng nước

Việc đánh giá chất lượng nước cần dựa trên phương pháp định lượng các thông số theo tiêu chuẩn. Phương pháp phổ biến nhất là lấy mẫu tại hiện trường và phân tích trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra, ngày càng nhiều công nghệ cảm biến tại chỗ được sử dụng để theo dõi chất lượng nước thời gian thực, giúp phát hiện sự cố ô nhiễm kịp thời.

Một số chỉ số tổng hợp được sử dụng để đánh giá nhanh như Water Quality Index (WQI), giúp biểu diễn chất lượng nước dưới dạng số từ 0 đến 100, trong đó giá trị càng cao thể hiện nước càng sạch. Công thức đơn giản hóa của WQI:

$WQI = \sum_{i=1}^{n} w_i \cdot q_i$

Trong đó $w_i$ là trọng số và $q_i$ là giá trị chuẩn hóa của từng thông số. Phân loại chất lượng theo WQI:

WQI	Chất lượng	Mức sử dụng khuyến nghị
90 – 100	Rất tốt	Uống trực tiếp (sau khử trùng)
70 – 89	Tốt	Sinh hoạt, ăn uống sau xử lý
50 – 69	Trung bình	Tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản
0 – 49	Kém	Không nên sử dụng

Tiêu chuẩn chất lượng nước

Tiêu chuẩn chất lượng nước là bộ thông số quy định ngưỡng cho phép của các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn và sức khỏe người dùng, được xây dựng bởi các tổ chức quốc tế và cơ quan quản lý quốc gia. Mỗi quốc gia sẽ ban hành quy chuẩn kỹ thuật tương ứng cho từng mục đích sử dụng như nước uống, nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp hay nước phục vụ cho nuôi trồng thủy sản.

Ví dụ, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đề xuất các ngưỡng an toàn cho hơn 100 thông số trong nước uống. Ở Hoa Kỳ, Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đưa ra Bộ quy định nước uống quốc gia (National Primary Drinking Water Regulations – NPDWR). Tại Việt Nam, quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT quy định giới hạn cho 109 thông số trong nước sinh hoạt.

Một số giới hạn điển hình theo QCVN 01-1:2018/BYT:

Thông số	Giá trị giới hạn	Đơn vị
Chì (Pb)	0,01	mg/L
Thủy ngân (Hg)	0,001	mg/L
Asen (As)	0,01	mg/L
Độ pH	6,5 – 8,5	–

Biến đổi khí hậu và chất lượng nước

Biến đổi khí hậu làm thay đổi mô hình mưa, tần suất hạn hán và lũ lụt, ảnh hưởng mạnh mẽ đến chất lượng nguồn nước. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ bốc hơi nước cao hơn, làm tăng nồng độ chất ô nhiễm trong nước mặt và nước ngầm. Đồng thời, sự thay đổi trong dòng chảy cũng làm gián đoạn quá trình tự làm sạch của hệ thống thủy văn tự nhiên.

Lũ lụt cuốn trôi phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, chất thải sinh hoạt xuống sông hồ, làm tăng đột biến nồng độ nitrat, amoni, vi khuẩn gây bệnh. Hạn hán kéo dài làm nước bị nhiễm mặn và tăng nồng độ vi sinh vật do thiếu pha loãng. Tại các vùng ven biển, mực nước biển dâng gây xâm nhập mặn vào tầng chứa nước ngọt.

Theo báo cáo IPCC AR6 WGII, từ năm 2050 trở đi, gần 40% dân số thế giới sẽ sống trong khu vực có nguy cơ cao thiếu nước sạch do tác động của khí hậu nếu không có hành động giảm thiểu và thích ứng kịp thời.

Ảnh hưởng của chất lượng nước đến sức khỏe

Nước không đạt chuẩn có thể gây ra nhiều bệnh cấp tính và mãn tính cho con người, đặc biệt là trẻ nhỏ và người già. Vi khuẩn, virus và ký sinh trùng trong nước gây ra các bệnh truyền nhiễm đường tiêu hóa như tiêu chảy, tả, thương hàn. Theo WHO, tiêu chảy do nước ô nhiễm gây ra khoảng 485.000 ca tử vong mỗi năm trên toàn thế giới.

Các chất độc hại như chì, asen, cadimi hoặc thuốc trừ sâu có thể tích tụ lâu dài trong cơ thể gây tổn thương gan, thận, thần kinh và dẫn đến ung thư. Tiếp xúc kéo dài với nitrat trong nước cũng liên quan đến hội chứng "em bé xanh" (methemoglobinemia) ở trẻ sơ sinh do giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu.

Các tác động thường gặp phân theo nhóm:

• Bệnh truyền nhiễm: do vi khuẩn, virus, ký sinh trùng.
• Độc tố tích lũy: kim loại nặng, hợp chất hữu cơ bền vững.
• Rối loạn nội tiết: do các chất gây rối loạn hormone có trong vi nhựa, dioxin, BPA.

Biện pháp quản lý và bảo vệ chất lượng nước

Đảm bảo chất lượng nước đòi hỏi một hệ thống quản lý đa tầng, từ cấp địa phương đến quốc gia và quốc tế. Các biện pháp cần tích hợp cả giám sát, luật pháp, giáo dục và ứng dụng công nghệ.

Các bước quản lý phổ biến:

1. Xây dựng và cập nhật quy chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa phương và yêu cầu thực tiễn.
2. Giám sát định kỳ và đột xuất tại các điểm xả thải, nguồn cấp nước và trạm xử lý.
3. Xử lý nước thải đạt chuẩn trước khi xả ra môi trường theo Luật Bảo vệ môi trường.
4. Kiểm soát hoạt động sử dụng phân bón, hóa chất trong nông nghiệp nhằm giảm ô nhiễm không điểm.

Việc giáo dục cộng đồng về sử dụng nước bền vững và bảo vệ nguồn nước cũng đóng vai trò rất lớn, đặc biệt tại vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa nơi hệ thống giám sát còn yếu.

Ứng dụng công nghệ trong giám sát chất lượng nước

Các công nghệ cảm biến hiện đại, tích hợp AI và IoT đang được triển khai trong hệ thống quan trắc nước để nâng cao tính chính xác, phản ứng nhanh và tiết kiệm chi phí. Các trạm quan trắc tự động có thể đo liên tục các thông số như pH, DO, nhiệt độ, độ đục, TSS và truyền dữ liệu thời gian thực về trung tâm xử lý.

Ví dụ, hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) được dùng trong nhiều nhà máy cấp nước tại châu Âu và châu Á để điều khiển và giám sát từ xa. Cảm biến thông minh cũng được tích hợp trong thiết bị bay không người lái (UAV), robot lặn hoặc trạm nổi trên sông hồ để mở rộng khả năng lấy mẫu tại các khu vực khó tiếp cận.

Kết hợp dữ liệu lớn (Big Data), học máy (machine learning) và ảnh viễn thám còn giúp xây dựng mô hình dự báo chất lượng nước, phát hiện sớm sự cố tràn dầu, ô nhiễm công nghiệp hoặc hiện tượng phú dưỡng. Các ứng dụng như NASA Earthdata cung cấp dữ liệu miễn phí để hỗ trợ phân tích chất lượng nước từ ảnh vệ tinh.

Tài liệu tham khảo

1. World Health Organization. (2017). Guidelines for Drinking-water Quality. Link
2. United States Environmental Protection Agency. (2022). National Primary Drinking Water Regulations. Link
3. World Bank. (2019). Quality Unknown: The Invisible Water Crisis. Link
4. IPCC. (2022). AR6 Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Link
5. UNEP. (2020). World Water Quality Alliance. Link