Ô nhiễm nước ngầm là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa ô nhiễm nước ngầm

Ô nhiễm nước ngầm (groundwater contamination) là hiện tượng chất lượng của nguồn nước ngầm bị suy giảm do sự xâm nhập của các chất ô nhiễm, khiến nguồn nước này không còn phù hợp hoặc an toàn cho các mục đích sử dụng như cấp nước sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, tưới tiêu nông nghiệp hay duy trì hệ sinh thái. Nước ngầm tồn tại trong các tầng chứa nước dưới bề mặt đất, di chuyển chậm qua các khe rỗng của đất đá và thường được khai thác bằng giếng khoan hoặc giếng đào. Tính chất khép kín và ít được tái tạo nhanh của nguồn nước ngầm khiến việc xử lý khi đã bị ô nhiễm trở nên khó khăn và tốn kém.

Theo U.S. Geological Survey, nước ngầm là nguồn cung cấp nước uống chính cho hàng tỷ người trên thế giới. Khi bị ô nhiễm, những tác động tiêu cực không chỉ dừng lại ở sức khỏe con người mà còn lan rộng đến hệ sinh thái và nền kinh tế địa phương. Tùy theo loại và mức độ ô nhiễm, thời gian để nguồn nước ngầm tự phục hồi có thể kéo dài từ vài năm đến hàng thế kỷ.

Điểm đặc biệt của ô nhiễm nước ngầm là tính “ẩn” và khó phát hiện. Khác với ô nhiễm nước mặt có thể dễ dàng nhận thấy qua màu sắc, mùi vị hoặc hiện tượng thủy sinh chết hàng loạt, ô nhiễm nước ngầm thường diễn ra âm thầm. Do đó, phát hiện sớm và giám sát liên tục là yếu tố then chốt để bảo vệ nguồn tài nguyên quý giá này.

Nguyên nhân ô nhiễm nước ngầm

Nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm có thể chia thành hai nhóm chính: nguyên nhân tự nhiên và nguyên nhân nhân tạo.

Nguyên nhân tự nhiên bao gồm sự hòa tan khoáng chất từ đá và đất khi nước ngầm di chuyển qua các tầng chứa nước. Ví dụ, arsenic (As) có thể tồn tại tự nhiên trong trầm tích và giải phóng vào nước ngầm ở một số khu vực. Ngoài ra, hiện tượng xâm nhập mặn cũng là nguyên nhân tự nhiên phổ biến ở vùng ven biển, khi nước mặn từ biển xâm nhập vào tầng chứa nước ngọt do khai thác quá mức hoặc thay đổi mực nước biển.

Nguyên nhân nhân tạo đa dạng và thường nghiêm trọng hơn, bao gồm:

• Rò rỉ từ bồn chứa hóa chất hoặc nhiên liệu dưới lòng đất
• Nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa xử lý ngấm xuống đất
• Sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật quá mức
• Nước rỉ rác từ bãi chôn lấp chất thải rắn
• Xả thải từ hoạt động khai khoáng và luyện kim

Bảng dưới đây minh họa một số nguồn gây ô nhiễm phổ biến và tác nhân liên quan:

Nguồn gây ô nhiễm	Chất ô nhiễm chính
Bồn chứa nhiên liệu	Hydrocarbon, dung môi hữu cơ
Nông nghiệp	Nitrat, thuốc trừ sâu, phosphat
Công nghiệp	Kim loại nặng, hóa chất hữu cơ độc hại
Bãi chôn lấp rác	Ammonia, hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC)

Các dạng chất gây ô nhiễm nước ngầm

Chất gây ô nhiễm nước ngầm được phân loại theo bản chất hóa học và nguồn gốc phát sinh.

Hóa chất vô cơ bao gồm nitrat, nitrit, arsenic, chì, thủy ngân, fluoride. Những chất này thường bắt nguồn từ phân bón, khai khoáng hoặc quá trình ăn mòn tự nhiên của khoáng vật. Nồng độ cao nitrat trong nước uống đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ sơ sinh, gây hội chứng “em bé xanh” (methemoglobinemia).

Hóa chất hữu cơ như dung môi công nghiệp, hydrocarbon dầu mỏ, thuốc trừ sâu và chất diệt cỏ có khả năng tồn tại lâu dài trong môi trường. Một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) như benzene hoặc trichloroethylene (TCE) có độc tính cao và liên quan đến nguy cơ ung thư.

Vi sinh vật gây bệnh bao gồm vi khuẩn Escherichia coli, virus, và ký sinh trùng. Chúng thường xâm nhập vào nước ngầm do rò rỉ từ hệ thống xử lý nước thải, phân gia súc, hoặc nguồn nước mặt bị ô nhiễm. Các mầm bệnh này có thể gây tiêu chảy, viêm gan A, và các bệnh truyền nhiễm khác.

Cơ chế lan truyền chất ô nhiễm

Chất ô nhiễm di chuyển trong tầng chứa nước dưới tác động của các cơ chế thủy động lực và quá trình hóa học – sinh học.

Cơ chế vật lý bao gồm:

• Dòng chảy ngầm: Vận chuyển chất ô nhiễm theo hướng và tốc độ của nước ngầm.
• Khuếch tán: Sự lan tỏa của các phân tử chất ô nhiễm từ vùng nồng độ cao sang vùng nồng độ thấp.
• Phân tán cơ học: Sự trải rộng của chất ô nhiễm do đặc điểm không đồng nhất của môi trường đất đá.

Cơ chế hóa học và sinh học bao gồm:

• Hấp phụ: Chất ô nhiễm bám vào bề mặt hạt đất hoặc khoáng vật.
• Trao đổi ion: Các ion trong chất ô nhiễm trao đổi với ion trong môi trường đất đá.
• Phân hủy sinh học: Vi sinh vật phân giải một số hợp chất hữu cơ thành chất ít độc hơn.

Mô tả định lượng dòng chảy và lan truyền chất ô nhiễm thường dựa vào phương trình Darcy và phương trình vận chuyển - khuếch tán: $q = -K \frac{dh}{dl}$ $\frac{\partial C}{\partial t} + v \frac{\partial C}{\partial x} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2} - \lambda C$ trong đó $q$ là lưu lượng dòng chảy, $K$ là hệ số thấm, $C$ là nồng độ chất ô nhiễm, $v$ là vận tốc dòng chảy, $D$ là hệ số khuếch tán và $\lambda$ là hệ số phân hủy hoặc loại bỏ.

Tác động đến sức khỏe con người

Ô nhiễm nước ngầm là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng vì nước ngầm thường là nguồn cung cấp chính cho nước uống, chế biến thực phẩm và sản xuất nông nghiệp. Khi các chất ô nhiễm xâm nhập vào cơ thể qua đường tiêu hóa, chúng có thể gây ra những tác động cấp tính hoặc mạn tính tùy thuộc vào loại và liều lượng phơi nhiễm.

Kim loại nặng như arsenic, chì, thủy ngân khi tồn tại ở nồng độ cao trong nước ngầm có thể gây ngộ độc thần kinh, rối loạn chức năng gan, thận và tăng nguy cơ ung thư. Arsenic đặc biệt nguy hiểm khi gây ung thư da, phổi, bàng quang và rối loạn sắc tố da. Theo WHO, phơi nhiễm arsenic kéo dài có thể ảnh hưởng đến hàng triệu người ở khu vực Nam Á.

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) như benzene, toluene, trichloroethylene có liên quan đến các bệnh về máu, gan, thận và hệ thần kinh trung ương. VOC cũng được phân loại là tác nhân gây ung thư ở người. Trong khi đó, nitrat trong nước uống có thể gây hội chứng “em bé xanh” (methemoglobinemia) ở trẻ sơ sinh, do khả năng vận chuyển oxy trong máu bị giảm sút.

Các vi sinh vật gây bệnh như E. coli, virus viêm gan A, hoặc ký sinh trùng đường ruột có thể gây tiêu chảy cấp, viêm gan, và các bệnh truyền nhiễm nghiêm trọng khác. Đặc biệt, nguy cơ lây lan bệnh tật tăng cao ở các cộng đồng sử dụng chung giếng hoặc hệ thống cấp nước bị ô nhiễm.

Ảnh hưởng đến môi trường

Ô nhiễm nước ngầm không chỉ ảnh hưởng đến con người mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái tự nhiên. Khi nước ngầm bị ô nhiễm di chuyển và thoát ra sông, hồ hoặc suối, nó làm suy giảm chất lượng nước mặt, ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh.

Một số hợp chất hữu cơ và kim loại nặng tích tụ trong trầm tích và sinh vật thủy sinh, dẫn đến hiện tượng bioaccumulation (tích lũy sinh học) và biomagnification (khuếch đại sinh học) trong chuỗi thức ăn. Điều này làm cho các loài ở bậc dinh dưỡng cao như cá lớn, chim ăn cá và thậm chí con người chịu tác động mạnh hơn.

Ô nhiễm nước ngầm cũng có thể làm giảm năng suất cây trồng khi nguồn nước tưới bị nhiễm mặn hoặc chứa nồng độ chất độc hại cao. Sự suy giảm chất lượng đất và nguồn nước khiến hệ sinh thái đất ngập nước bị mất cân bằng, gây mất đa dạng sinh học.

Phương pháp giám sát và đánh giá

Để quản lý và kiểm soát ô nhiễm nước ngầm, công tác giám sát chất lượng nước là yếu tố bắt buộc. Hoạt động này bao gồm lấy mẫu định kỳ, phân tích các thông số hóa lý và vi sinh, đồng thời sử dụng công nghệ hiện đại để phát hiện sớm các biến động bất thường.

Các bước cơ bản của quy trình giám sát:

• Xác định vị trí giếng quan trắc và tầng chứa nước cần theo dõi
• Lấy mẫu nước theo quy trình chuẩn để tránh nhiễm chéo
• Phân tích thông số: pH, độ dẫn điện, oxy hòa tan, nitrat, kim loại nặng, hợp chất hữu cơ
• Đối chiếu kết quả với tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm quốc gia và quốc tế

Ngoài ra, việc sử dụng cảm biến đặt tại chỗ kết hợp truyền dữ liệu từ xa (IoT) cho phép giám sát liên tục, cảnh báo sớm khi có dấu hiệu vượt ngưỡng. Phương pháp viễn thám cũng hỗ trợ phát hiện các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao, phục vụ cho công tác điều tra chi tiết.

Biện pháp phòng ngừa và xử lý

Phòng ngừa ô nhiễm nước ngầm là chiến lược ưu tiên vì xử lý ô nhiễm thường tốn kém và mất nhiều thời gian. Một số biện pháp phòng ngừa hiệu quả:

• Quản lý chặt chẽ chất thải rắn và lỏng, đặc biệt từ khu công nghiệp và đô thị
• Hạn chế sử dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật quá mức
• Xây dựng và duy trì vùng bảo hộ vệ sinh quanh giếng khai thác
• Áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến trước khi xả ra môi trường

Khi nguồn nước ngầm đã bị ô nhiễm, có thể áp dụng các phương pháp xử lý như:

• Phương pháp bơm hút và xử lý (Pump and Treat): Bơm nước ngầm lên, xử lý bằng hệ thống lọc và tái sử dụng hoặc xả ra môi trường.
• Hấp phụ bằng than hoạt tính: Loại bỏ hợp chất hữu cơ, VOC.
• Trao đổi ion: Loại bỏ kim loại nặng và ion độc hại.
• Oxy hóa nâng cao (AOPs): Phân hủy các chất hữu cơ khó xử lý bằng các tác nhân oxy hóa mạnh như ozone, hydrogen peroxide.

Khung pháp lý và quản lý

Các quốc gia đều ban hành các tiêu chuẩn và quy định nhằm bảo vệ chất lượng nước ngầm. Ví dụ, Hoa Kỳ áp dụng Safe Drinking Water Act (SDWA) quy định nồng độ tối đa cho phép đối với nhiều chất ô nhiễm. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm được quy định trong QCVN 09-MT:2015/BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Khung pháp lý thường bao gồm:

• Xác định giới hạn tối đa cho phép của từng chất ô nhiễm
• Yêu cầu giám sát định kỳ đối với các cơ sở khai thác
• Quy định về xử phạt vi phạm hành chính và trách nhiệm bồi thường thiệt hại
• Chính sách khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý và tái sử dụng nước

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Geological Survey. Groundwater Contamination. https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/groundwater-contamination
2. U.S. Environmental Protection Agency. Ground Water and Drinking Water. https://www.epa.gov/ground-water-and-drinking-water
3. World Health Organization. Drinking-water. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/drinking-water