Chất rắn lơ lửng là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm chất rắn lơ lửng

Chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids - TSS) là tập hợp các hạt rắn không hòa tan có kích thước đủ nhỏ để tồn tại phân tán trong chất lỏng như nước mà không bị lắng nhanh. Các hạt này thường có kích thước từ vài micromet đến hàng trăm micromet, có thể được giữ lại trên giấy lọc có kích thước lỗ 0.45 µm. Chúng không tan trong nước nhưng đủ nhẹ để trôi nổi, gây ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của môi trường nước.

TSS là chỉ tiêu phổ biến trong đánh giá chất lượng nước, đặc biệt trong giám sát nước thải và nguồn nước tự nhiên. Nồng độ TSS cao có thể làm giảm ánh sáng xuyên qua cột nước, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của sinh vật phù du, đồng thời làm tăng nhiệt độ nước và giảm oxy hòa tan. Các chất rắn lơ lửng cũng có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm như kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh, làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm thứ cấp khi các hạt này lắng đọng hoặc được tái phân tán.

Các ví dụ về chất rắn lơ lửng thường gặp bao gồm: hạt đất sét, bùn, mảnh vụn thực vật, xác vi sinh vật, chất thải hữu cơ, các tinh thể muối chưa tan hết, và vi nhựa. Tính chất của chúng có thể thay đổi theo mùa, khu vực địa lý và hoạt động con người xung quanh nguồn nước.

Phân biệt với các khái niệm liên quan

Chất rắn lơ lửng (TSS) không nên bị nhầm lẫn với các khái niệm khác như chất rắn hòa tan (TDS – Total Dissolved Solids) hay độ đục (turbidity), mặc dù chúng đều ảnh hưởng đến chất lượng nước. TDS bao gồm các ion và phân tử hòa tan hoàn toàn trong nước, không bị giữ lại bởi giấy lọc, trong khi TSS bao gồm các hạt không tan, có thể được loại bỏ bằng phương pháp lọc cơ học. Độ đục là chỉ số quang học phản ánh mức độ tán xạ ánh sáng trong nước, chịu ảnh hưởng bởi cả TSS lẫn TDS.

Một mẫu nước có thể có TSS thấp nhưng độ đục cao nếu có nhiều hạt nhỏ, hoặc TSS cao nhưng độ đục thấp nếu các hạt có kích thước lớn và ít phân tán. Do đó, ba chỉ tiêu này thường được đo cùng nhau trong đánh giá chất lượng nước để đảm bảo phân tích đầy đủ và chính xác hơn.

So sánh đặc điểm giữa TSS, TDS và độ đục:

Chỉ tiêu	TSS	TDS	Độ đục
Bản chất	Hạt rắn không hòa tan	Chất hòa tan (ion, muối)	Hiện tượng quang học
Ảnh hưởng đến ánh sáng	Giảm truyền sáng	Ít ảnh hưởng	Tán xạ mạnh
Phương pháp đo	Lọc và cân	Bay hơi phần nước	Đo bằng turbidimeter

Phân loại chất rắn lơ lửng

TSS có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc, bản chất hóa học và kích thước. Về cơ bản, chất rắn lơ lửng được chia thành ba nhóm chính:

• Hữu cơ: Mảnh thực vật, vi sinh vật chết, chất thải động vật, protein, chất béo
• Vô cơ: Cát, đất sét, oxit kim loại, bụi khoáng
• Tổng hợp: Vi nhựa, hạt polymer, sợi tổng hợp từ sản phẩm tiêu dùng

Về kích thước, các hạt TSS thường nằm trong khoảng 0.45 µm đến vài trăm µm. Các hạt nhỏ hơn 0.45 µm thường được coi là hòa tan (TDS), trong khi các hạt lớn hơn có xu hướng lắng nhanh nếu không có dòng chảy khuấy trộn. Trong nhiều nghiên cứu, kích thước hạt TSS còn được chia thành các phân lớp như hạt mịn (<63 µm) và hạt thô (>63 µm) để phục vụ phân tích động học và xử lý.

Một số chất có tính chất lưỡng tính – tức vừa có phần hòa tan vừa có phần không hòa tan – có thể tạo ra TSS phụ thuộc vào điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ hoặc nồng độ ion. Ví dụ, phốt phát có thể kết tủa thành dạng rắn khi gặp ion canxi hoặc magie ở pH kiềm.

Các nguồn phát sinh chất rắn lơ lửng

Chất rắn lơ lửng có thể bắt nguồn từ tự nhiên hoặc do hoạt động con người gây ra. Trong tự nhiên, quá trình xói mòn đất, sạt lở bờ sông, dòng chảy mùa mưa và phân rã sinh học là các yếu tố chính tạo ra TSS. Các vật liệu từ thảm thực vật, sinh vật phù du, và mùn bã hữu cơ cũng góp phần tạo ra TSS trong hệ thống nước tự nhiên.

Trong môi trường đô thị và công nghiệp, các nguồn phát sinh TSS phổ biến bao gồm:

• Nước thải sinh hoạt chứa cặn bẩn, dầu mỡ, chất hữu cơ chưa phân hủy
• Nước thải công nghiệp từ chế biến thực phẩm, dệt nhuộm, luyện kim
• Dòng chảy bề mặt qua các khu vực xây dựng, nhà máy, đường sá cuốn theo bụi bẩn, xi măng, cát
• Hoạt động rửa lọc bể xử lý nước, khai thác khoáng sản

Tại các khu vực có mật độ dân cư cao, TSS trong nước thải đầu vào có thể lên đến 300–500 mg/L, cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Việc kiểm soát và loại bỏ TSS là một trong những bước quan trọng nhất trong quy trình xử lý nước thải hiện đại.

Xem thêm thông tin chuyên sâu: EPA – Indicators: Suspended Sediment

Phương pháp đo và phân tích TSS

Phương pháp chuẩn để đo nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước là sử dụng quy trình lọc, sấy và cân. Một lượng nước mẫu được lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh có kích thước lỗ 0.45 µm, sau đó phần chất rắn giữ lại được làm khô ở nhiệt độ 103–105°C và cân bằng cân phân tích. Sự chênh lệch khối lượng trước và sau lọc phản ánh tổng lượng chất rắn lơ lửng trong thể tích mẫu đã biết.

Công thức tính nồng độ TSS theo khối lượng: $TSS = \frac{(W_{final} - W_{initial}) \times 1000}{V_{sample}}$ Trong đó:

• $W_{final}$: khối lượng giấy lọc sau khi sấy (mg)
• $W_{initial}$: khối lượng giấy lọc trước khi lọc (mg)
• $V_{sample}$: thể tích nước mẫu lọc (mL)

Ngoài phương pháp thủ công, các công nghệ đo liên tục đang được sử dụng trong giám sát môi trường bao gồm:

• Cảm biến tán xạ ánh sáng (turbidimeter chuyển đổi độ đục sang TSS)
• Đo quang học đa bước sóng bằng đầu dò laser
• Thiết bị đo ảnh thời gian thực dùng camera và AI để phân tích hạt

Ảnh hưởng của chất rắn lơ lửng đến môi trường

TSS gây ảnh hưởng rộng đến môi trường nước cả về mặt vật lý, hóa học lẫn sinh học. Về mặt vật lý, sự hiện diện của các hạt làm giảm khả năng xuyên sáng trong cột nước, gây cản trở quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh. Môi trường thiếu ánh sáng làm giảm năng suất sinh học sơ cấp và kéo theo suy giảm chuỗi thức ăn dưới nước.

Về mặt sinh học, các hạt TSS có thể gây tắc nghẽn mang cá, phá vỡ tập tính sinh sản của động vật thủy sinh, đặc biệt là các loài đẻ trứng dưới đáy. Chúng cũng có thể mang theo mầm bệnh, ký sinh trùng hoặc hợp chất độc hại bám trên bề mặt hạt. Khi các hạt này lắng đọng, chúng tạo thành lớp trầm tích gây mất cân bằng sinh thái đáy.

Về mặt hóa học, TSS đóng vai trò trung gian vận chuyển kim loại nặng (Pb, Hg, As), hợp chất hữu cơ bền vững (PAHs, PCBs) và chất dinh dưỡng (N, P). Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ giữa hạt và môi trường lỏng phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, và loại vật liệu. Khi có sự thay đổi đột ngột về điều kiện môi trường, các chất độc có thể được giải phóng trở lại pha lỏng, tạo ra ô nhiễm thứ cấp.

Vai trò trong xử lý nước thải

Trong kỹ thuật xử lý nước thải, kiểm soát TSS là một trong những mục tiêu ưu tiên vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành và chất lượng nước đầu ra. TSS cao làm tăng tải lượng bùn trong hệ thống, ảnh hưởng đến quá trình lắng, lọc và khử trùng.

Các công đoạn xử lý phổ biến để loại bỏ TSS bao gồm:

• Lắng sơ cấp: tách hạt lớn bằng trọng lực
• Tạo bông keo (coagulation-flocculation): dùng hóa chất tạo bông tụ các hạt mịn
• Lọc nhanh/trung bình: loại bỏ hạt nhỏ sau lắng bằng cột cát hoặc màng lọc

Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt đầu ra tại nhiều quốc gia yêu cầu TSS không vượt quá 30 mg/L. Đối với các cơ sở sản xuất nhạy cảm hoặc khu bảo tồn sinh thái, ngưỡng này có thể được siết chặt hơn. Việc giám sát TSS không chỉ mang tính pháp lý mà còn là công cụ đánh giá hiệu quả toàn diện của hệ thống xử lý.

Ứng dụng trong nghiên cứu và quản lý tài nguyên nước

Dữ liệu TSS đóng vai trò quan trọng trong mô hình hóa các quá trình môi trường như xói mòn đất, vận chuyển trầm tích và dự báo chất lượng nước. Trong quản lý lưu vực sông, TSS là một chỉ số để đánh giá tác động của phát triển đô thị, nông nghiệp và thay đổi sử dụng đất đến thủy văn và chất lượng nước.

Một số hệ thống và mô hình sử dụng TSS làm đầu vào:

• SWAT (Soil and Water Assessment Tool): mô phỏng dòng chảy, xói mòn, và tải lượng trầm tích
• QUAL2K: mô hình chất lượng nước sông theo chiều dài
• HSPF: mô hình thủy văn tích hợp dựa trên chuỗi thời gian

Ngoài ra, trong nuôi trồng thủy sản, quản lý ao hồ và hồ chứa nước sinh hoạt, việc theo dõi TSS giúp tối ưu hóa quá trình lọc nước, tránh tắc nghẽn thiết bị, và đảm bảo điều kiện sống cho sinh vật. Các đợt tăng đột biến TSS cũng có thể chỉ báo hiện tượng rò rỉ, sụp đổ bờ bao hoặc ô nhiễm bất thường.

Xu hướng nghiên cứu và cải tiến công nghệ đo TSS

Các xu hướng hiện nay tập trung vào việc tự động hóa và nâng cao độ chính xác trong giám sát TSS. Cảm biến quang học sử dụng tán xạ ánh sáng theo nhiều góc và bước sóng giúp đo TSS theo thời gian thực mà không cần thu mẫu, thích hợp cho mạng quan trắc liên tục. Kết hợp cảm biến với nền tảng IoT cho phép gửi dữ liệu về trung tâm xử lý từ xa và cảnh báo sự cố sớm.

Một số cải tiến nổi bật:

• Cảm biến sử dụng phân tích ảnh vi mô để phân biệt loại hạt
• Thiết bị di động đo TSS trong hiện trường bằng camera AI
• Tích hợp cảm biến TSS với các thông số khác như pH, ORP, DO

Nghiên cứu cũng đang tập trung vào mối tương tác giữa TSS và vi sinh vật trong bể sinh học, ảnh hưởng của nano vật liệu đến khả năng lắng và kết tụ, cũng như ảnh hưởng dài hạn của TSS tới sức khỏe cộng đồng và đa dạng sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. American Public Health Association (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.
2. EPA – Indicators: Suspended Sediment
3. WHO – Water Quality and Suspended Solids
4. Teh, H.Y. et al. (2020). “Real-time monitoring of total suspended solids using optical sensors.” Environmental Technology.
5. NASA OceanColor – Suspended Sediment Data