Độ đục là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan
Độ đục là chỉ số đo mức độ mờ đục của nước hoặc dung dịch do các hạt lơ lửng gây ra, phản ánh khả năng truyền ánh sáng qua môi trường. Độ đục được đo chủ yếu bằng nephelometry với đơn vị NTU, cung cấp cơ sở đánh giá chất lượng nước và hiệu quả xử lý cấp nước.
Giới thiệu về độ đục
Độ đục (turbidity) là chỉ số đo độ mờ đục của nước hoặc chất lỏng do các hạt rắn lơ lửng trong môi trường. Khi ánh sáng chiếu qua dung dịch, các hạt này sẽ phân tán hoặc hấp thụ ánh sáng, làm giảm khả năng truyền sáng và tạo ra hiệu ứng mờ trên bề mặt. Độ đục thường được dùng để đánh giá nhanh chất lượng nước sinh hoạt, nước sông, hồ và nước thải công nghiệp.
Trong quản lý tài nguyên nước, độ đục là chỉ tiêu quan trọng vì mức độ đục cao thường đi kèm với sự hiện diện của vi sinh vật, tảo hay chất hữu cơ và vô cơ gây hại. Nước có độ đục vượt quá ngưỡng cho phép có thể chứa vi khuẩn gây bệnh, kim loại nặng bám vào bề mặt hạt hoặc hợp chất hữu cơ độc hại. Do đó, giám sát độ đục là bước đầu trong quá trình xử lý và cấp phát nước.
- Ứng dụng trong kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất.
- Chỉ dấu hiện diện mầm bệnh và chất ô nhiễm phân tán.
- Thước đo hiệu quả các bước xử lý như keo tụ, lắng, lọc.
Cơ sở vật lý của độ đục
Về nguyên lý, độ đục xuất phát từ hiện tượng tán xạ (scattering) và hấp thụ (absorption) ánh sáng bởi các hạt lơ lửng. Khi một chùm sáng xuyên qua nước, mỗi hạt sẽ phân tán một phần ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau. Cường độ ánh sáng tán xạ tỷ lệ với kích thước, hình dạng và bản chất vật liệu của hạt.
Phép đo độ đục thường quan sát góc tán xạ 90° so với hướng truyền sáng chính. Thiết bị nephelometer ghi lại cường độ ánh sáng tán xạ tại góc này và quy đổi thành đơn vị NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Công thức tương quan cơ bản có thể biểu diễn là: trong đó Iscattered là cường độ ánh sáng tán xạ.
| Hiện tượng | Đặc trưng | Ảnh hưởng tới độ đục |
|---|---|---|
| Tán xạ | Phân tán ánh sáng | Chủ yếu |
| Hấp thụ | Thu nhận ánh sáng | Phụ thuộc màu sắc |
| Phản xạ | Phản chiếu trở lại | Ít đóng góp |
Hạt lơ lửng gồm khoáng vật vô cơ (cát, đất sét), chất hữu cơ (mảnh thực vật, vi khuẩn) và hợp chất keo (colloid). Kích thước từ vài nanomet đến vài micromet quyết định mức độ tán xạ và tầm ảnh hưởng đến bước sóng ánh sáng.
Phương pháp đo độ đục
Phương pháp phổ biến nhất là nephelometry, sử dụng bộ phát sáng LED hoặc đèn tungsten để chiếu sáng mẫu, đầu dò đặt vuông góc 90° ghi lại ánh sáng tán xạ. Phương pháp này tuân thủ tiêu chuẩn ISO 7027 (Độ dài sóng 860 nm) và EPA Method 180.1 (Độ dài sóng nephelometric).
Alternately, turbidimetry đo độ suy giảm cường độ ánh sáng truyền qua mẫu theo chiều thẳng. Cường độ sáng thu được qua phía đối diện thể hiện độ mờ. Turbidimetry nhạy hơn với các hạt lớn và không phân biệt góc tán xạ, nhưng đơn giản và ít tốn kém thiết bị.
- Nephelometry: góc 90°, đơn vị NTU, tiêu chuẩn ISO 7027.
- Turbidimetry: đo cường độ truyền sáng, dùng đơn vị FTU/FAU.
- Thiết bị trực tuyến: đo tự động, tích hợp SCADA cho giám sát liên tục.
- Thiết bị cầm tay: di động, phù hợp khảo sát hiện trường.
Để đảm bảo độ chính xác, cần hiệu chuẩn thiết bị bằng dung dịch chuẩn formazin ở nhiều nồng độ khác nhau. Ngoài ra, quét mẫu nhiều lần, trung bình kết quả và kiểm soát nhiễu do bong bóng hay lớp bề mặt mỏng tăng độ tin cậy.
Đơn vị và chuẩn mực
Đơn vị phổ biến nhất là NTU (Nephelometric Turbidity Unit), dựa trên độ tán xạ ánh sáng góc 90°. Ngoài ra còn có FTU (Formazin Turbidity Unit) và FAU (Formazin Attenuation Unit) dùng trong turbidimetry. Mối tương quan gần đúng: 1 NTU ≈ 1 FTU, nhưng phụ thuộc đặc tính thiết bị và bước sóng sử dụng.
Tiêu chuẩn chất lượng nước cho phép độ đục khác nhau theo từng mục đích:
| Ứng dụng | Giới hạn độ đục | Nguồn/Chuẩn |
|---|---|---|
| Nước uống sinh hoạt | <5 NTU | WHO Guidelines |
| Nước mặt (sông hồ) | <1–10 NTU | EU Directive |
| Nước thải công nghiệp | <50 NTU | EPA Regulations |
WHO khuyến cáo độ đục <5 NTU đảm bảo hiệu quả khử khuẩn và an toàn cho sức khỏe. Ở nước mặt, độ đục dưới 1 NTU phản ánh môi trường sạch, trong khi nước thải công nghiệp có thể chấp nhận độ đục cao hơn sau các bước xử lý sơ bộ.
Nguồn gây độ đục
Độ đục phát sinh từ nhiều nguồn, chủ yếu do các hạt rắn hoặc hợp chất hòa tán lơ lửng trong nước. Trong tự nhiên, thuỷ triều, dòng chảy mạnh hay mưa lớn cuốn theo đất đá, trầm tích và chất hữu cơ vào sông hồ. Nguồn nước mặt vùng đô thị còn chịu thêm tải lượng hạt từ bùn đất công trình xây dựng, dòng chảy bề mặt và xói mòn bờ sông.
Hoạt động nông nghiệp thải phân bón, phân chuồng chứa mảnh thực vật và đất đá vào kênh rạch. Canh tác cạn, không bờ vùng, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cũng tạo ra cặn lơ lửng. Trong khi đó, công nghiệp khai khoáng, mỏ và luyện kim xả bùn xỉ chưa xử lý hoặc xử lý không triệt để, dẫn đến độ đục cao kèm kim loại nặng.
- Hoạt động xây dựng, san lấp đất đai, phát triển hạ tầng.
- Xử lý nước thải công nghiệp không đạt chuẩn.
- Chăn nuôi gia súc, gia cầm xả nước rửa chuồng, chứa mảnh hữu cơ.
- Xói mòn tự nhiên, tháo nước ruộng và vỡ bờ kênh mương.
Tác động đến hệ sinh thái
Độ đục cao hạn chế ánh sáng xuyên xuống tầng quang hợp của các loài thực vật thủy sinh. Khi ánh sáng giảm, năng suất sinh khối của tảo và rong dưới nước suy giảm, làm đứt gãy chuỗi thức ăn và giảm nguồn thức ăn cho cá, tôm. Bề mặt đáy bị che phủ bởi lớp cặn, làm mất môi trường sống của loài đáy như trai, ốc, tôm nhỏ.
Phú dưỡng do hạt hữu cơ phân hủy cung cấp dinh dưỡng dư thừa, kích thích tảo độc bùng phát (algal bloom). Khi tảo chết, quá trình phân hủy tiêu hao oxy hòa tan, gây hiện tượng chết oxy (hypoxia) hoặc tuyệt oxygen (anoxia), ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật thủy sinh.
| Loại tác động | Hiệu ứng | Hệ sinh thái chịu ảnh hưởng |
|---|---|---|
| Giảm ánh sáng | Giảm quang hợp | Sông, hồ, đầm phá |
| Phú dưỡng | Tảo độc, chết oxy | Vùng cửa sông, đầm lầy |
| Che phủ bề mặt | Giảm môi trường sống đáy | Hồ cạn, kênh rạch |
Kết quả lâu dài là giảm đa dạng sinh học và mất đi các chức năng sinh thái như điều hoà nước, lọc chất ô nhiễm tự nhiên và duy trì chu trình dinh dưỡng.
Ảnh hưởng đến sức khỏe con người
Nước có độ đục cao thường chứa vi khuẩn, virus và ký sinh trùng bám trên bề mặt hạt lơ lửng. Khi uống hoặc sử dụng, các mầm bệnh này dễ xâm nhập đường tiêu hóa, gây ra tiêu chảy, lỵ amip, tiêu chảy do vi khuẩn và ngộ độc thức ăn.
Độ đục cũng làm giảm hiệu quả khử trùng Clo, Ozone hay tia UV. Hạt lơ lửng hấp thụ hoặc che khuất bức xạ, bảo vệ mầm bệnh khỏi tác động diệt khuẩn, dẫn đến tiêu thụ nước sau xử lý vẫn tiềm ẩn nguy cơ.
- Bệnh đường ruột: tiêu chảy, kiết lỵ, tả.
- Nhiễm trùng hô hấp: do aerosol hoá khi tắm vòi sen.
- Ngộ độc hóa chất: kim loại nặng bám trên hạt.
WHO khuyến nghị độ đục không vượt quá 5 NTU đối với nước sinh hoạt để đảm bảo an toàn và hiệu quả khử trùng (WHO Guidelines).
Phương pháp xử lý giảm độ đục
Keo tụ–tạo bông (coagulation–flocculation) là bước xử lý cơ bản nhất. Chất keo tụ như Alum (NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O) hoặc PAC (Polyaluminum Chloride) kết hợp với Polymer tạo bông lớn, dễ lắng. Thêm giai đoạn ổn định pH và khuấy trộn chính xác để tối ưu kích thước và tốc độ lắng của bông.
Lắng (sedimentation) tách bông ra khỏi nước dưới tác dụng trọng lực, tiếp đó lọc qua lớp cát, sỏi hoặc màng UF/RO để loại bỏ phần còn lại. Công nghệ màng siêu lọc (UF) và thẩm thấu ngược (RO) có thể loại bỏ hạt kích thước nano, cho nước đầu ra gần như trong suốt.
| Công đoạn | Chất liệu | Hiệu suất giảm độ đục |
|---|---|---|
| Keo tụ | Alum, PAC | 60–80% |
| Lắng | Bể lắng | 70–90% |
| Lọc cát | Cát, sỏi | 70–95% |
| Màng UF/RO | UF, RO | 99–99.9% |
Theo dõi và quản lý
Giám sát liên tục độ đục tại trạm xử lý và mạng lưới cấp phát bằng cảm biến quang học tích hợp SCADA. Hệ thống cảnh báo khi vượt ngưỡng, tự động điều chỉnh liều keo tụ và tốc độ tuần hoàn nước rửa màng lọc.
Kết hợp lấy mẫu định kỳ và phân tích phòng lab theo ISO 7027 để hiệu chuẩn thiết bị. Dữ liệu thu thập qua IoT gửi về trung tâm phân tích dữ liệu, cung cấp biểu đồ xu hướng và phân tích ngang dọc để phát hiện sự cố sớm.
- Lắp đặt cảm biến NTU trực tuyến ở đầu và cuối quá trình xử lý.
- Tích hợp EMS/SCADA để tự động điều chỉnh quy trình.
- Báo cáo định kỳ và đánh giá tuân thủ QCVN, EPA.
Xu hướng nghiên cứu và phát triển
Nghiên cứu đang hướng đến cảm biến độ đục nano với độ nhạy cao, phát hiện mầm bệnh và kim loại liên kết trên bề mặt hạt. Kỹ thuật quang phổ Raman và plasmonic nano-sensor cho phép phân biệt chất hữu cơ – vô cơ lơ lửng mà không cần xử lý mẫu.
AI và machine learning ứng dụng trong phân tích tín hiệu tán xạ, dự báo biến động độ đục theo mô hình thời tiết và lưu vực. Hệ thống digital twin mô phỏng quy trình xử lý nước, tối ưu hóa liều hóa chất và công suất lọc, giảm tiêu thụ năng lượng.
- Cảm biến plasmonic độ nhạy ppb, phản hồi trong mili giây.
- Machine learning dự báo độ đục 24–72 giờ trước.
- Digital twin tối ưu hóa chi phí và hiệu suất xử lý.
Tài liệu tham khảo
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề độ đục:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10