Nước có vai trò rất quan trọng trong các hoạt động kinh tế và đời sống. Tuy nhiên, môi trường nước đang dần bị suy thoái bởi quá trình phát triển công nghiệp và đô thị hóa. Do phạm vi ô nhiễm nguồn nước ngày càng lan rộng, các nhà khoa học Việt Nam đang tập trung nghiên cứu các giải pháp công nghệ mới cho phép đánh giá, cảnh báo sớm tình trạng ô nhiễm, từ đó, kịp thời có các biện pháp xử lý để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và đời sống con người.

Ô nhiễm môi trường là hiện tượng các chất thải có nguồn gốc từ con người thải ra không khí, đất, nước và đại dương, tạo nên mối đe dọa đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái. Ô nhiễm môi trường bao gồm ô nhiễm không khí bởi các chất dạng hạt mịn (PM2.5); ozone; oxit của lưu huỳnh và nitơ; ô nhiễm nguồn nước, đại dương bởi thủy ngân, nitơ, phốt pho, nhựa và chất thải dầu mỏ; nhiễm độc đất bởi chì, thủy ngân, thuốc trừ sâu, hóa chất công nghiệp, chất thải điện tử và chất thải phóng xạ. Ngoài ra, còn có những dạng ô nhiễm khác, như ô nhiễm tiếng ồn, ô nhiễm ánh sáng,…

Theo bài báo khoa học “Pollution and health: a progress update” được công bố vào tháng 05/2022 trên tạp chí The Lancet Planetary Health, ô nhiễm là nguyên nhân gây ra khoảng 9 triệu ca tử vong mỗi năm trên toàn thế giới và không thay đổi kể từ năm 2015 đến năm 2019, hơn 90% các ca tử vong liên quan đến ô nhiễm xảy ra ở các nước thu nhập thấp và trung bình. Dữ liệu nghiên cứu trong năm 2019 cho biết, trong 9 triệu ca tử vong có 6,67 triệu ca là do ô nhiễm không khí; 1,36 triệu ca là do ô nhiễm nguồn nước; 0,9 triệu ca do chì và 0,87 triệu ca do làm việc trong môi trường độc hại. Cũng theo nguồn dữ liệu này, ô nhiễm và hút thuốc là một trong hai yếu tố nguy cơ lớn nhất gây bệnh tật và tử vong trên toàn cầu, cao hơn nhiều so với các yếu tố khác.

Các ca tử vong ước tính trên toàn cầu năm 2019 theo các nguyên nhân chính
(Nguồn: Institute for Health Metrics and Evaluation, 2020. Thanh sai số (Error bar): độ tin cậy 95%)

Nghiên cứu trên cũng cho biết, tác động từ nền sản xuất công nghiệp đã làm gia tăng ô nhiễm các hóa chất độc hại, đặc biệt khi các chất này thải ra làm hủy hoại môi trường nước, tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và nguồn nước cho các hoạt động dân sinh. Theo đánh giá của UNESCO, chất lượng nước là một trong những thách thức chính mà toàn xã hội sẽ phải đối mặt trong thế kỷ 21. Chất lượng nước giảm xuống sẽ đe dọa đến sức khỏe con người, hạn chế sản xuất lương thực, giảm chức năng hệ sinh thái và cản trở tăng trưởng kinh tế. Ước tính có khoảng 80% tổng lượng nước thải công nghiệp và nước thải đô thị được thải ra môi trường trên toàn cầu mà không qua bất kỳ xử lý trước nào (theo World Water Development Report 2021 của Liên Hợp Quốc), tỷ lệ này cao hơn nhiều ở các nước kém phát triển do thiếu các hệ thống xử lý nước thải.

Để đánh giá tổng quan về chất lượng nước trên toàn thế giới, nghiên cứu Quality Unknown - The invisible water Crisis của World Bank năm 2019 đã tập hợp một cơ sở dữ liệu khổng lồ, một phần được thu thập từ các trạm/mẫu quan trắc tại chỗ hoặc thông qua vệ tinh bằng kỹ thuật viễn thám, phần còn lại được tạo ra bằng máy tính sử dụng các mô hình máy học nhằm lấp những khoảng trống khó thu thập dữ liệu để tạo ra bức tranh toàn cảnh về tình trạng chất lượng nước. Ba chỉ số chính được sử dụng để đánh giá mức độ nguy cơ là: nitơ (nitrogen); độ dẫn điện (electrical conductivity) và nhu cầu oxy sinh học (BOD). Kết quả cho thấy, phạm vi các chất ô nhiễm có xu hướng mở rộng cùng với sự phát triển kinh tế, và các nước giàu hay nghèo đều phải chịu đựng ô nhiễm nguồn nước ở mức cao.

Nguy cơ về chất lượng nước trên toàn thế giới được biểu diễn theo dải màu (màu xanh: nguy cơ thấp; màu đỏ: nguy cơ cao; màu xám: không có dữ liệu)
(Nguồn: Quality Unknown - The Invisible Water Crisis, 2019)

Ảnh hưởng của chất lượng nước vùng thượng nguồn đến tốc độ tăng trưởng kinh tế ở hạ nguồn cũng được đề cập thông qua một kết quả nghiên cứu trong báo cáo ở trên, sử dụng cơ sở dữ liệu lớn và chỉ số BOD làm đại lượng đo mức độ ô nhiễm. Kết quả chỉ ra tăng trưởng GDP giảm 1/3 khi nguồn nước mặt bị ô nhiễm nặng (BOD > 8 mg/L). Trong đó, mức độ tác động khá cao đối với các nước có thu nhập trung bình, khi mức tăng trưởng GDP giảm gần một nửa; còn với các nước có thu nhập cao, chỉ số BOD thấp hơn và GDP chỉ giảm nhẹ.

Chất lượng nguồn nước tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu của World Bank năm 2019 cho thấy, chất lượng nguồn nước đang có chiều hướng xấu đi, với các dấu hiệu nhiễm độc do nước thải sinh hoạt, nước rỉ ra từ các bãi rác, từ các làng nghề, hóa chất khó xử lý của các ngành công nghiệp và từ phân bón dư thừa bị rửa trôi theo dòng nước của ngành nông nghiệp. Do nhiều nguồn thải gây ô nhiễm, nước ngầm ở nhiều khu vực bị tác động bởi các chất ô nhiễm bề mặt. Những tuyến đường thủy chảy qua các thành phố lớn cũng trở nên ô nhiễm nghiêm trọng.

Chất lượng nước của các khu vực giai đoạn 2011-2015, so sánh với quy chuẩn kỹ thuật QG về chất lượng nước mặt (Nguồn: Vietnam: Toward a Safe, Clean, and Resilient Water System)

Chất lượng nước kém không chỉ ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt người dân mà còn tác động đến các hoạt động kinh tế. Nghiên cứu của World Bank cho rằng tác động của ô nhiễm nguồn nước đối với sức khỏe con người là mối đe dọa lớn nhất đối với nền kinh tế Việt Nam và nếu những thách thức này không được giải quyết vào năm 2035, Việt Nam có thể giảm đến 6% GDP hàng năm.

Để góp phần giảm thiểu ô nhiễm, quản lý môi trường bền vững, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã xây dựng nhiều mô hình, phương pháp quan trắc môi trường nhanh và chính xác, phục vụ cho công tác dự báo, cung cấp cơ sở để hoạch định, cũng như kiến tạo các giải pháp kỹ thuật thích hợp, điển hình như:

Hệ thống cảm biến sinh học phục vụ dự báo chất lượng nước tại các sông, hồ,…

Để phân tích chất lượng nước, hiện nay người ta thường sử dụng 3 phương pháp: (1) Sử dụng các thiết bị chuyên dụng trong phòng thí nghiệm; (2) Sử dụng các bộ kit thử nghiệm với từng chỉ tiêu và ngưỡng đo riêng biệt; (3) Sử dụng cảm biến theo từng chỉ tiêu riêng biệt. Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng, nhưng chưa có phương pháp nào tối ưu trong việc dự báo ô nhiễm, với đủ 3 điều kiện nhanh, gọn và chính xác.

Từ thực trạng trên, nhằm đáp ứng yêu cầu cảnh báo kịp thời về ô nhiễm nguồn nước, các chuyên gia tại Viện Công nghệ hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã có những bước đi đột phá trong nghiên cứu cảm biến sinh học, với khả năng đáp ứng nhanh, cấu tạo nhỏ gọn và độ chính xác cao. Công trình nghiên cứu này đã được công bố trong bài báo “A novel biosensing system for rapid estimation of BOD5 and sensitive detection of toxicity in water (BODTOX)”, được trao Giải thưởng Sáng tạo châu Á (Best Innovation Award) của Quỹ toàn cầu Hitachi năm 2021.

Được Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và Quỹ Phát triển KH&CN Quốc gia tài trợ, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công cảm biến sinh học, cho phép phân tích nhanh và liên tục chỉ số BOD. Cảm biến được chế tạo từ nguồn vật liệu có sẵn và quy trình đơn giản, thời gian trả kết quả có thể chỉ trong vòng vài phút.

Độ độc trong nước được hiển thị trên phần mềm (Nguồn: Tạp chí KH&CN Việt Nam)

Cảm biến sinh học này được kiểm tra thử nghiệm trên mẫu nước thải thủy sản và nước kênh rạch trong nội thành TP.HCM, với thời gian đo 10 phút cho kết quả độ chính xác cao hơn 20% so với phương pháp đo BOD5 truyền thống, cùng với thời gian kiểm tra ngắn, chi phí chỉ bằng 1/10 so với các thiết bị ngoại nhập. Cảm biến này có tiềm năng ứng dụng để đo độc tính tổng của nguồn nước, góp phần cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước để nhà quản lý kịp thời có phương án xử lý. Những thành công bước đầu này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu xây dựng hướng phát triển, mở rộng ứng dụng trở thành thiết bị quan trắc chất lượng nước, đảm bảo an toàn hơn cho các đơn vị nuôi trồng thủy hải sản, vốn rất dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi môi trường.

Đánh giá và dự báo chất lượng nước tại các thủy vực ven biển

Thời gian gần đây, nhiều địa phương tiếp giáp biển đã bắt đầu quan tâm phối hợp với các chuyên gia để tính toán sức tải của các thủy vực ven bờ nhằm điều chỉnh các hoạt động kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường một cách bền vững. Một số nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường thủy vực ven bờ đã được tiến hành, cho kết quả áp dụng tại các khu vực nghiên cứu. Gần đây, một nghiên cứu có tính tổng quát: “Quy trình xác định sức tải của thủy vực ven biển có tính đến khả năng tự làm sạch của thủy vực” do Viện Tài nguyên và Môi trường Biển xây dựng (được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0001872) có tiềm năng giá trị cao, đáp ứng theo đặc thù cụ thể của từng địa phương.

Để xây dựng quy trình, các chuyên gia của Viện Tài nguyên và Môi trường Biển đã tiến hành các nghiên cứu và thử nghiệm từ năm 2012, theo nhiều phương pháp, tại nhiều thủy vực khác nhau trên cả nước (các đảo, vùng nuôi cá lồng bè tập trung, khu công nghiệp ở hạ lưu sông, các vùng vịnh tập trung cho phát triển du lịch và giao thông đường thủy). Mỗi đợt thử nghiệm kéo dài từ 1-2 năm nhằm thu được số liệu đặc trưng nhất trong suốt mùa mưa và mùa khô. Bể thí nghiệm được đặt sát đáy biển (độ sâu khoảng vài chục mét). Sau một khoảng thời gian, các mẫu nước cùng thực vật và trầm tích được thu thập và chuyển về phòng thí nghiệm để phân tích nồng độ các chất, từ đó tính toán ra khả năng tự làm sạch của vực nước.

Các hộp chứa rong biển được thí nghiệm ở những độ sâu khác nhau tại thủy vực nhằm đo đạc khả năng quang hợp (Nguồn: khoahocphattrien.vn)

Từ kết quả sau nhiều năm nghiên cứu tại các vùng biển Việt Nam, các nhà khoa học đã đúc kết khả năng trao đổi nước là quá trình tự làm sạch chủ đạo ở các vùng cửa sông, trong khi ở vùng vịnh là quá trình quang hợp và ở đầm phá là quá trình lắng đọng cơ học. Mặc dù các thủy vực có khả năng tự làm sạch, nhưng khả năng này chỉ là hữu hạn. Do đó, việc quản lý chất thải tại nguồn vẫn đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong bảo vệ môi trường và sinh vật biển. Kết quả tính toán tải lượng chịu đựng của thủy vực của Viện Tài nguyên và Môi trường Biển cũng đã mở ra các hướng xây dựng chính sách cho các địa phương ven biển, từ việc quản lý lượng chất thải đổ ra môi trường, đến hình thành các ngành kinh tế dịch vụ thu gom và xử lý chất thải,… Qua đó, các địa phương có thể hiểu và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên biển, đáp ứng mục tiêu bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển kinh tế-xã hội.

Đánh giá, dự báo chất lượng nước mặt vùng bờ TP.HCM

Để củng cố, hoàn thiện chính sách trong quản lý tổng hợp vùng bờ TP.HCM, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học thuộc Chương trình quản lý tổng hợp tài nguyên vùng bờ TP.HCM đã được tiến hành trong các năm qua. Trong đó, nghiên cứu “Dự báo chất lượng nước mặt vùng bờ thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2030 phục vụ đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải” của các nhà khoa học tại Viện Khí tượng, Thủy văn, Hải văn và Môi trường, được công bố trên Tạp chí Khí tượng thủy văn năm 2021, đã cung cấp những thông tin quan trọng về mức độ ảnh hưởng đối với môi trường nước vùng bờ TP.HCM theo các kịch bản biến đổi khí hậu và xử lý ô nhiễm trong giai đoạn 2019-2030.

Nghiên cứu sử dụng phương pháp đánh giá và dự báo chất lượng nước vùng bờ TP.HCM ở khu vực huyện Cần Giờ và vùng biển ven bờ có ranh giới ngoài cách mép bờ 6 hải lý từ vịnh Gành Rái đến cửa Soài Rạp trong mùa khô. Các thông số chính để phân tích chất lượng nước gồm: BOD, DO, NO3––N, NH4+–N, PO43––P, TSS và Coliform. Kết quả chỉ ra rằng, nếu tình trạng ô nhiễm không được cải thiện, thì đến năm 2030, chất lượng nước vùng bờ sẽ suy giảm và dao động ở mức Kém – Khá, với nồng độ các thông số tăng gấp nhiều lần quy chuẩn.

Biến đổi nồng độ BOD giai đoạn 2019-2030 theo giả định xử lý nước thải không cải thiện
(Nguồn: Kết quả nghiên cứu “Dự báo chất lượng nước mặt vùng bờ thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2030 phục vụ đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải”)

Kết quả nghiên cứu cũng cho biết, khu vực thượng nguồn xa cửa sông vẫn là nơi có nguy cơ ô nhiễm cao nhất vì không có lợi thế khuếch tán và pha loãng chất ô nhiễm, ngay cả khi đáp ứng tối đa về xử lý nước thải. Vì vậy, để quản lý hiệu quả môi trường nước vùng bờ TP.HCM trong bối cảnh nền kinh tế phát triển không ngừng, cần có biện pháp quy hoạch nguồn thải nội vi và tăng cường kiểm soát chất lượng nước ngoại vi. Qua đó, hài hòa lợi ích giữa phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường; đảm bảo khai thác, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, ngăn ngừa, giảm thiểu các tác động tiêu cực do con người, tự nhiên và biến đổi khí hậu đến tài nguyên và môi trường vùng bờ TP.HCM.

Duy Sang

--------------------------------------------------------------------------------

Tài liệu tham khảo chính

[1] Damania et al. Quality Unknown: The Invisible Water Crisis. Washington DC: World Bank.
[2] Fuller R. et al. Pollution and health: a progress update. Lancet Planet Health 2022.
[3] International Initiative on Water Quality. The global water quality challenge & SDGs. https://en.unesco.org/waterquality-iiwq/wq-challenge
[4] Lê Ngọc Tuấn và Trần Tuấn Hoàng. Dự báo chất lượng nước mặt vùng bờ thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2030 phục vụ đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải. Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2021, 68-81.
[5] Ngô Hà. Dự báo những vùng biển sắp bị ô nhiễm. https://khoahocphattrien.vn/khoa-hoc/du-bao-nhung-vung-bien-sap-bi-o-nhiem/2022051202512596p1c160.htm
[6] Phạm Thị Thùy Phương và Nguyễn Phúc Hoàng Duy. Phát hiện ô nhiễm nguồn nước từ cảm biến sinh học. https://vjst.vn/vn/tin-tuc/6089/phat-hien-o-nhiem-nguon-nuoc-tu-cam-bien-sinh-hoc.aspx
[7] Trọng Phú. Ô nhiễm nước, không khí, rác thải sinh hoạt đang bủa vây Hà Nội, TP.HCM. https://plo.vn/o-nhiem-nuoc-khong-khi-rac-thai-sinh-hoat-dang-bua-vay-ha-noi-tp-hcm-post682201.html