PEMODELAN LINGKUNGAN

BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN

PEMODELAN REKAYASA LINGKUNGAN

DISUSUN OLEH SYAFRUDIN

PEMODELAN LINGKUNGAN

1



1



1


BAB I PENGANTAR PEMODELAN LINGKUNGAN

1.1. 1.1. SIST SISTEM EM LIN LINGK GKUN UNGA GAN N

Pendefinis Pendefinisian ian sistem sistem lingkungan lingkungan dapat dilakukan dilakukan dengan dengan banyak banyak cara cara tergan tergantun tung g pada pada tujuan tujuan dari dari pendef pendefini inisan san terseb tersebut ut . Untuk Untuk tuju tujuan an pemo pemode dela lan n ling lingku kung ngan an yang yang memi memili liki ki prin prinsi sip p seba sebaga gaii " pendugaan dan perkiraan " digunakan dalam proses pengelolaan ling lingku kung ngan an . Peng Pengel elol olaan aan ling lingku kung ngan an itu itu send sendir irii adal adalah ah upay upaya a terpadu pemantauan , pengendalian, pengawasan dan perbaikan unsur-uns unsur-unsur ur lingkungan lingkungan

lingkungan lingkungan dari dari kemungkinan kemungkinan degrada degradasi si

lingkungan. Unsur lingkungan terdiri atas unsur abiotik dan biotik yang merupakan bagian dari mahluk hidup ( manus, tanaman dan hewan) , udara , tanah dan air. Pengelolaan lingkungan berasaskan pelest pelestaria arian n kemamp kemampuan uan lingku lingkunga ngan n yang yang serasi serasi dan seimba seimbang ng untu untuk k

menu menunj njan ang g

pemb pemban ang gunan unan

yang yang

berk berkel elan anju juttan

bag bagi

peningkatan kesejahteraan manus. Oleh Oleh karena karena itu sistem sistem lingku lingkunga ngan n dapat dapat didefi didefinis nisika ikan n sebaga sebagaii obyek obyek pengam pengamata atan n berupa berupa himpun himpunan an elemen elemen-ele -elemen men alam alam baik baik kimiaw kimiawi, i, dan atau atau biolog biologii yang yang sifatsifat-sif sifatn atnya ya mengal mengalami ami proses proses perubahan perubahan dalam skala ruang dan waktu tertentu tertentu menurut hukum hukum alam yang berlaku. Dari definisi definisi diatas diatas ada empat faktor faktor yang dapat diidenti diidentifikasi fikasikan kan dalam setiap sistem lingkungan yakni obyek, elemen , sifat dan pros proses es . Seba Sebaga gaii cont contoh oh Sist Sistem em Ling Lingku kung ngan an dari dari Sung Sungai ai Banj Banjir ir Kanal Barat atau Sungai Kaligarang :


1


•

Obyek

: Sungai termasuk morfologi badan air

sungai , •

Elemen-elemen

: air, pencemar, ikan , sedimen,

rumput dan tanaman di sekitar kawasan sungai dan sebagainya, •

Sifat-sifatnya

: Kecepatan aliran, laju aliran (debit ),

konsentrasi, jumlah , suhu, populasi ikan dan sebaginya, •

Proses Perubahan

: aveksi -difusi, reaksi kimia, reproduksi dan

mati. 1.2. MACAM MODEL LINGKUNGAN

Model dalam sistem lingkungan dapat di bagi menjadi dua yakni model fisik dan model matematis. Model fisik adalah konsep model lingkungan yang dilakukan sedemikian rupa dengan skala tertentu mirip/sepadan dengan sesuatu aslinya atau berskala tertetu sesuai degan aslinya

contoh

model Sungai Kaligarang pada

skala

laboratorium. Ini berarti, model sistem lingkungan adalah tiruan dari sistem aslinya yang mana dapat dikatakan unsur tiruan yang ada pada model

sistem lingkungan ada

yang ditirukan dalam sistem

lingkungan aslinya dan tidak sebaliknya. Model fisik ini memiliki persayaratan secara jelas karena fenomena fisik yang ada di lapangan ditransformasikan dengan skala tertentu pada suatu laboratorium maupun tempat diluar (out door). Sehingga diperoleh mendekati kenyataan sebetulnya. Model fisik adalah sistem fisik yang kelakuannya menyerupai sistem aslinya berdasarkan prinsip analogi. Sistem Asli PEMODELAN LINGKUNGAN

Model Sistem

2


Rawa Pening Sungai Kaligarang

Kolam ikan Selokan

Model matematik pada sistem lingkungan adalah model yang disusun berdasarkan kriteria tertentu dapat mewakili realitas fisik yang walaupun dalam skala tertentu. Model matematik adalah sistem

persamaan

dinterpretasikan

matematik

sebagai

hasil

yang

hasil

pengamatan

penyelesaiannya terhadap

sistem

aslinya. Contoh : Misal Fenomena Pencemaran Mikroba Sumber mikroba yang terdapat didalam air sungai berasal dari limpasan limbah rumah tangga, sampah dan limbah peternakan.

Mikroba-mikroba

utama

yang

banyak

dijumpai pada badan-badan air adalah bakteri dan virus. Di perairan, mikroorganisme akan mati karena kondisi lingkungannya kurang sesuai. Kematian mikroorganisme dalam perairan hampir sama dengan penguraian zat organic, yaitu :

dB

= KB ……………………………………………….

dt

(1.1) Integrasikan persamaan (1) akan diperoleh :

ln

B BO

= - Kt ………………………………………….

(1.2) untuk bilangan dasar e, atau


3


B

log

BO

= - kt ………………………………………..

(1.3) untuk bilangan dasar IO, dimana : BO

= jumlah mikroorganisme semula

B

= jumlah mikroorganisme pada saat t

B/BO

= bagian mikroorganisme yang hidup

(1 - B/BO)

=

bagian mikroorganisme yang mati

Laju penguraian kematian mikroorganisme K tergantung dari temperatur, pH, nutrien, sedimentasi dan absorpsi, serta kompetisi mikroorganisme itu sendiri.

Model matematik dapat dibagi m,enjadi model numerik dan model statitistik. Model numerik (Numerical Model) adalah model prediksi yang

dibuat

dengan

menghilangkan

variabel

tertentu

serta

melinierkan fungsi aljabar untuk mempermudah penyelesaian. Misal model Statistik Timbulan Limbah Padat Perkotaan dapat dinyatakan sebagai fungsi linier sebagai berikut :

Y

= a1 X 1 + a2 X 2 + a3 X 3 ………………………………………………………

……(1.4) keterangan : Y =besar timbulan rata-rata dalam satuan (liter/hari), a 1 =kontanta timbulan untuk faktor X 1 (perkembangan perkotaan) , a2 =kontanta timbulan untuk faktor X 2 (Peningkatan jumlah penduduk)


4


a3=kontanta timbulan untuk faktor X 3 ( Tingkat pendapatan masyarakat), Dengan

mengetahui

model

timbulan

tersebut

,

kita

dapat

emprediksi jumlah tmbulan limbah padat (sampah) suatu kota untuk tahun tahun mendatang. 1.3. PEMODELAN MATEMATIK DAN PEMROGRAMAN SISTEM LINGKUNGAN

Pemodelan matematik sistem lingkungan dapat dikerjakan menurut langkah dibawah ini secara berurutan

sebagaimana penjelasan

dibawah ini.

1.3.1

Pendefinisian Model Sistem Lingkungan

Dalam tahap ini diskripsi model tiruan dari sistem lingkungan yang aslinya

ditetapkan

dengan

menggunakan

asumsi-asumsi

pendekatan . Faktor-faktor umum yang perlu disiapkan adalah sebagai berikut :

-

Ruang dan waktu

Batasan ruang yang ditempati oleh sistem harus didefinsikan secara jelas dalam bentuk sketsa " volume kontrol". Bidang batas dengan sekeliling sistem harus ditentukan terbuka atau tertutup . Sifat distributif atau non distributip dari sistem lingkungan yang akan dianalisa harus ditentukan . Jika sistem tersebut bersifat distributif tetapkan sistem koordinat ruang yang akan digunakan . Demikian juga apakah sifat aliran dalam ruang bersifat steady (tunak) atau

bersifat dinamik atau unsteady

dari sistem yang

harus ditetapkan. PEMODELAN LINGKUNGAN

5


-

Sifat-sifat Fisika,Kimia dan Biologi

Semua sifat-sifat fisika , kimiawi, dan atau biologi,yang akan terlibat didalam analisis harus diwujudkan dalam bentuk simbol matematik dilengkapi dengan sistem satuannya .Klasifikasikan apakah sifat-sifat fisis tersebut konstant atau variabel dan hitung jumlah variabel yang ada . Jika sifat fisis tersebut adalah variabel, tetapkan apakah variabel akan bersifat eksogen atau endogen. Endogen adalah variabel yang terkait satu sama lainnya dan dapat berubah

karena

keterkaitannya

menurut

hukum.

Sedangkan

Eksogen adalah variabel yang dapat diubah diluar sistem misal variabel pengadukan dan suhu harus ada ada enerji (manipulated variabel).

-

Proses Perubahan

Tetapkan jenis fenomaena alam yang mendasari terjadinya proses perubahan sifat fisis yang terlibat dalam bentuk hukum alam yang berlaku. Fenomena alam tersebut antara lain adalah : 1) Proses Perpindahan masaa, energi dan momentum, 2) Proses Reaksi Kimia, 3) Proses perubahan fasa, 4) Proses Kesetimbangan kimia; 5) Proses Kesetimbangan Fasa. Bila

pemodelan

lingkungan

digunakan

untuk

pengambilan

keputusan , maka menurut Basta dan Bower (1982) dalam Hufschmidt et al (1983)

karakteristik model -model penaksiran

alam mempunyai ciri yang lebih spesifik adalah :


6


1) Berciri " Waktu " Menggambarkan bagaimana arus dan gerak buangan (residu) bervariasi sejalan dengan waktu , baik secara konsepsi maupun perhitungan yang bisa menggunakan manual atau komputasi tergantung akan kompleksitas suatu masalah yang dikaji. Biasanya informasi yang diberikan meliputi (1) variabilitas waktu ( steady, quasy steady

atau non steady) ; (2) Satuan waktu penerapan

termasuk nilai input dan nilai output serta tahapan waktu perhitungan. 2) Berciri " Ruang " Menggambarkan

kemampuan

model

menangkap

perubahan

konsentrasi buangan (residu ) dalam variasi ruang . Informasi yang diberikan (1) memiliki dimensi model misal dimensi tunggal dengan bidang horizontal dan vertikal ; atau dimensi ganda dengan bidang longitudinal dan vertikal (2) memiliki kemungkinan agregasi ruang yaitu jumlah dan ukuran dari berbagai kemungkinan segmen , lapisan dan volume serta (3) memiliki penerapan satuan -satuan khusus yang sesuai . 3) Berciri " Fisik " Menggambarkan proses-proses fisik yang dianggap mempengaruhi gearak limbah /buangan . Informasi yang diberikan akan meliputi berbagai hal seperti (1) kekuatan pengerak utamanya pengerak hidraulik maupun meteorologik (seperti gerak pasang surut,arus angin, arus sungai


(2) memiliki fenomena proses fisik seperti

7


adveksi -difusi, dilusi dan konveksi, bajet panas temperatur, tenaga angin dan tenaga akselerasi cariolis. 4) Berciri " Kimiawi " Menggambarkan transportasi dan interaksi kimiawi yang diyakini menimbulkan

perubahan

konsentrasisejalan

dengan

waktu.

Informasinya meliputi (1) proses kimia dasar ( kesetimbangan /equilibrium, termo kimia, dan reaksi-reaksi kimia kopel dan non kopel serta (3) penyajian indikator-indikator kualitas ambien termasuk baku mutu seperti senyawa -senyawa konservatip ataupun non konservatip). 5) Berupa " Proses Ekologis " Menggambarkan proses biologi dasar yang mempengaruhi interaksi antara indikator-indikator kualitas lingkungan dan konstituenya serta antara berbagai organisme yang diikutkan dalam konsep dasar model . Komponen proses termasuk dalam katagori ini adalah (1) proses biologi - kimia (seperti fotosintesa dan respirasi pembusukan biologis dan (2) dinamika trofik (seperti tingkatan trofik , dinamika pertumbuhan penduduk, mortalitas serta interaksi ekosistem pemangsa -mangsa). 6) Berciri " Matematis " Menggambarkan dasar teoritika atas representasi matematis dari suatu ,model serta metoda-metoda penyelesaian/penuntasan untuk diterapkan pada suatu model. Informasinya mencakup (1) aspek teoritiknya

(

deterministik,


stokastik,

atau

kombinasinya

8


keduanya ) (2) aneka metoda penyelesaian lain ( statistik seperti regresi ; numerik ; integrasi analitik dan sebagainya ). 7) Memiliki Status " Komputasi " Bila penyelesaian secara matematis memerlukan perhitungan yang sangat panjang baik untuk skala ruang dan waktu serta karena kompleksitas

persoalan,

perhitungan

analitik

secara

konvensional /manual tidak mungkin digunakan . Hal tersebut pertimbangan waktu dan pembiayaan yang relatif mahal. Oleh karena status komputasi dalam permodelan juga dapat diterapkan. Informasinya mengenai (1) apakah suatu model terkode atau tak terkodikasi (2) apa bahasa komputer yang akan digunakan (basic, visual basic, SCI, fortran, dan pascal serta pascal dengan borland delphinya

)(3)

kebutuhan

agar

berbagai

kemungkinan

perlengkapan komputer dan pelengkapnya . 8) Membutuhkan " Data Eksisting dan Data Surut Kebelakang" Data kondisi saat ini dibutuhkan disamping untuk menganalisa persoalan yang ada dapat juga untuk memprediksi kearah depan suatu masalah. Oleh karena itu banyaknya kebutuhan data akan memberikan gambaran bentuk, mantapnya, serta kemudahan dan ketelitian model yang ditunjukan pada saat proses verifikasi model. Mungkin juga data ytang dibutuhkan dapat bersifat umum atau khas

data

lokal

tergantung kepada

seberapa

jauh

aplikasi

pengembangan model nantinya yang akan dikehendaki. 9) Memiliki Konsep Dasar Pemakaian


9


Menggambarkan dasar kesulitan yang mungkin dihadapi dalam mendapatkan, menyesuaikan ataupun menerapkan suatu model. Informasinya (1) ketersediaan model dan dokumentasi penunjang dari berbagai sumber (2) pengenalan terhadap bidang-bidang kesulitan dalam menerapkan suatu model. 10)

Memiliki gambaran Output dan Prakiraan Bentuk Outputnya

Menggambarkan hasil dari suatu model sehubungan dengan macam informasinya yang bisa didapat, baik secara spasial maupun temporer serta dilengkapi format penyajian hasil itu . 11)

Memiliki keterkaitan terhadap model lainnya.

Menggambarkan hubungan suatu model lingkungan terhadap model-model analisis mutu lingkungan lainnya serta bagaimana bentuk hubungan itu. Misalnya dapat diinformasikan tentang hubungan antara model kerusakan dan model manfaat. 12)

Kebutuhan Personil Sumber Daya sesuai klasifikasi.

Menggambarkan tipe , jumlah, dan kadar pengalaman yang harus dimiliki personil dalam rangka mengetrapkan suatu model . Informasinya (1) diskripsinya posisi (insinyur, programmer, analisa sistem,

ekologis,

atau

lainnya

(2)

kadar

pendidikan

dan

kemampuannya (3) pengalaman menyangkut bidang interdisiplinya yang harus dimiliki dalam suatu tim. 13)

Kebutuhan Pembiayaan Pemodelan.


10


Menggambarkan pembiayaan yang terkait dengan penerapan model sejak penelusuran awal hingga penerapan dan pembahasan hasil penerapan model 14)

Memiliki tingkat Keakuratan " Ketelitian dan Kepekaan

Model" Menggambarkan

kemampuan

model

secara

utuh

dalam

mewujudkan citra suatu sistem alam yang nyata dengan berbagai proses

inti

yang

ada

padanya.

Informasinya

:

(1)

kadar

keterwakilan hubungan yang sebenarnya ada dalam sistem yang nyata,

khususnya

berkenaan

dengan

asumsi;

(2)

ketelitian

numerik, baik kemapanan maupun penyimpangan ; dan (3) kepekaan terhadap kesalahan pada input. 15)

Bagaimana " catatan lain " .

Menggambarkan beragam kenyataan mengenai suatu model, sejarah

perkembangannya,

hasil

pengamatan

terhadap

keterpakaian model itu dalam menganalisis mutu lingkungan. Informasinya : (1) keterbatasan dan syarat-syarat penggunaan suatu model; (2) kelebihan khusus serta pilihan yang ada; (3) penemu model dan prosedurnya, serta perkembangan derivatnya.


11


d if in is i asumsi

m u la i

penurunan p e rs a m a a n

N

m e to d e penyelesaian

N

p e n y u s u n a n a l g o r it m a

c h e k p e rs a m a a n

c h e k m e to d e p e n y e s a ia n

N

c h e k a lg o r i tm a

Y chek p e m p r o gr am a n

p e m p ro g r am a n

m e l ih a t keabsahan model

EN D

Validasi

N

Y p r o s e s s im u la s i

Gambar 1 : Bagan Alir Proses Pemodelan Matematis Sistem Lingkungan 1.3.2

Penurunan Persamaan Model

Penurunan sistem persamaan yang menyusun model matematik sistem lingkungan dapat dilakukan sebagaimana berikut :


12


-

Pemberlakuan Hukum Kekekalan

Hukum

kekekalan

yang

dapat

diberlakukan

adalah

hukum

kekkekalan masa , enerji dan momentum. Pemberlakuan hukum kekelan terhadap volume kontrol secara umum berbentuk input sama dengan output ditambah dengan akumulasi. Semua variabel yang terlibat dalam laju alir massa, enerji, dan momentum akan terikat oleh persamaan ini.

-

Pemberlakuan hukum perpindahan dan reaksi kimia,

Semua variabel yang terlibat dalam laju perpindahan

massa ,

enerji dan momentum serta kecepatan reakasi yang dirumuskan secara eksplisit diikutsertakan dalam sistem persamaan yang dihasilkan .

-

Pemberlakuan hukum kesetimbangan,

Semua variabel yang terlibat dalam hukum kesetimbangan massa , fasa dan persamaan-persamaan keadaan yang berlaku akan membentuk sistem persamaan tersendiri sebagai pelengkap.

-

Penyelesaian Sistem Persamaan.

Sebelum penyelesaian sistem persamaan yang dihasilkan dilakukan analisa derajat bebas dengan menghitung selisih antara jumlah variabel dengan jumlah yang ada . Syarat agar supaya sistem persamaan dapat diselesaikan adalah bahwa jumlah derajat harus sama dengan nol . Bila derajat bebas lebih besar dari nol , maka model tersebut belum legkap. Usaha yang harus dilakukan adalah menambah jumlah persamaan atau dengan mengurangi jumlah


13


variabel yang ada . Salah satu cara untuk mengurangi jumlah variabel adalah dengan memberikan harga yang konstan pada variabel tersebut . Sebaliknya jika derajat bebas lebih kecil dari nol, maka model tersebut terlalu lengkap . Usaha yang biasa dilakukan dengan mengurangi jumlah persamaan yang ada atau dengan menambah jumlah variabel yang baru. Penyelesaian persamaan yang sederhana dapat dilakukan secara analitis, tetapi untuk persamaan yang rumit lebih baik jika dilakukan dengan metode numerik. Metode penyelesaian numerik persamaan tergantung pada jenis persamaan yang ada . Adapun jenis-jenis persamaan yang terjadi dalam model matematik sistem lingkungan adalah sebagai berikut : 1.3.2.1 Sistem Persamaan Aljabar Model matematik sistem steady (tunak) ang non distributif biasanya berbentuk sistem persamaan aljabar. Secara sistem persamaan alajabar dapat dirumuskan dalam bentuk :

F ( x )

= 0 ……………………………………………………….

(1.5) keterangan : X adalah vektor :

X

, X 2 , X ..........

..........

F adalah fungsi vektor : ( F 1 , F 2 , F 3 ..........

......

X n

..........

.....

F n

Hasil yang diharapkan dari penyelesaiaan sistem ini adalah berupa satu set akar berupa vektor X. Metode penyelesaian

tergantung kepada liniearitas dari sistem

persamaan. Jika persamaan adalah linier dapat diselesaikan antara lain dengan metode eliminasi Gauss atau metode dekomposisi Matrik . Jika persamaan adalah non linier dapat diselesaiakan antara lain dengan metode Newton Raphson pada matematika rekayasa. PEMODELAN LINGKUNGAN

14


1.3.2.2 Sistem Persamaan Diferensial Biasa Sistem dinamik yang non distributif biasanya memiliki persamaan bentuk persamaan sistem deferensiasi biasa. Sistem persamaan diferensial biasanya secara umum dapat ditulis dalam bentuk :

dX dt

= F ( X )

dengan syarat awal X (t 0 ) = X 0 …………..

(1.6) keterangan : X adalah vektor ………………….. ( X 1 , X 2 , X 3 ..........

..........

. X n

) F adalah fungsi vektor …………

( F 1 , F 2 , F 3 ..........

..........

... F n

)

Dan t adalah waktu . Hasil yang diharapkan dari penyelesaian sistem ini adalah satu set akar berupa vektor X harganya merupakan fungsi dari t . Metode penyelesaian yang numerik praktis antara lain dengan metode euler , Runge Kutta dan sebagainnya. 1.3.2.3 Sistem Persamaan Diferensial -Aljabar Sistem dinamik yang non distributif disertai dengan fenomena kesetimbangan fase dan kesetimbangan kimia mempunyai bentuk sistem persamaan diferensial aljabar . Bentuk sistem persamaan


15


deferensial aljabar ini adalah campuran antara bentuk sistem persamaan aljabar dan sistem persamaan deferensial bersama . Bentuk umumnya adalah sebagai berikut :

dG ( X ) dt

= F ( X ) ……………………………………………

(1.7) dengan syarat awal :

H ( X )

X (t 0 )

keterangan : ( X 1 , X 2 , ..........

=0

= X 0 X adalah vektor …………………………….

.......

X n )

G adalah fungsi Vektor ………………….. (G1 , G ,.........

......

Gn )

H adalah fungsi vektor ………………….. ( H m

1

+

,.........

......

H n )

F adalah fungsi vektor…………………… ( F 1 , F 2 ..........

........

F n )

Dan t adalah waktu. Hasil yang diharapkan dari penyelesaian sistem ini adalah sama dengan hasil penyelesaian sistem persamaan diferensial biasa yaitu satu set akar berupa vektor X harganya merupakan fungsi dari t . Metode penyelesaian yang numerik praktis antara lain dengan metode semi implisit, Euler dan Rungge Kutta. 1.3.2.4 Sistem Persamaan Diferensial Parsiel Sistem dinamik yang distributif biasanya mempunyai bentuk sistem persamaan

diferensial

parsiel

.

Bentuk

sistem

persamaan

deferensial parsiel secara umum berbentuk :


16


2

dU

dU d U = F (U , , ) …………………………………………. 2 dt dx dX

(1.8) dengan syarat batas :

G (U (t , C ),

dU (t , C ) dX

)

= 0 ………………………………………

(1.9) dan syarat awal

U (0, X )

= U 0 ( X ) ………………………………………………

(1.10) keterangan

:

X

( X 1 , X 2 , ..........

.......

X n )

adalah

vektor

koordinat

ruang

=

U adalah fungsi vektor …………………..… (U m

1

+

,.........

......

U n )

Hasil penyelesaian dari sistem persamaan ini adalah vektor U yang merupakan fungsi waktu t dan vektor koordinat ruang X. Metode penyelesaian numerik dari sistem persamaan differensial parsiel ini antara lain adalah dengan mentransformasikannya kedalam bentuk sistem persamaan diferensial biasa atau aljabar. Transformasi ini dapat dilakukan antara lain dengan metode kuadratik differensial atau kologasi ortogonal pada matematika rekayasa. 1.4

PENYUSUNAN ALGORITMA

Untuk menyelesaikan sistem persamaan dengan metode apapun termasuk metode matematik (statistik atau numerik) yang tersedia secara tuntas maka perlu dahulu disusun algoritma yang berupa


17


urutan perhitungan /langkah demi langkah dari pemasukan data sampai penulisan hasil persamaan. Algoritma dapat dibuat dalam bentuk diagram alur atau flow chart atau bisa juga dalam bentuk pseudo-code dalam bahasa komputer. 1.5

PEMROGRAMAN KOMPUTER

Pada tahap ini algoritma penyelesaian sistem persamaan model matematis diterjemahkan dalam bahasa pemrograman. Bahasa pemrograman komputer bila memang persoalan tidak dapat diselesaikan secara konvensional /manual maka dapat digunakan bahasa FORTRAN, VISUAL BASIC, SCI, PASCAL dan TURBO PASCAL dengan Kelengkapan BORLAND DELPHInya. Pemilihan bahasa disamping selera juga dipengaruhi oleh penampilan dan kecepatan prosesnya. Tujuan utama pemrograman adalah untuk membantu menghasilkan perhitungan yang teliti dan cermat serta cepat tanpa membutuhkan waktu yang relatif lama.

1.6

VALIDASI MODEL

Pada tahap ini diadakan uji coba terhadap hasil penyelesaian model apakah interpretasi hasil penyelesaiannya sudah menirukan kelakuan sistem lingkungan yang aslinya apa tidak?. Uji coba dapat dilakukan dengan perbandingan langsung menggunakan data dari sistem lingkungan

yang asli atau menggunakan " enggineering

judgment". Jika hasil uji coba belum memadai , maka urutan pekerjaan kembali pada tahap-tahap sebelum ini. Jika sebaliknya hasil uji coba telah


18


memadai , maka program komputasi hasil penyelesaiaan model tersebut dapat disempurnakan untuk keperluan proses simulasi. 1.7

PROSES SIMULASI MODEL SISTEM LINGKUNGAN

Proses simulasi adalah metode memerankan model sebagai sarana dalam meirukan sistem lingkungan aslinya . Dengan simulasi maka perlakuan ekperimen terhadap sistem aslinya dapat ditirukan . Untuk menjalankan proses simulasi maka model matematik pada khususnya harus menyediakan fasilitas yang diperlukan .

BAB III MODEL KUALITAS AIR PERMUKAAN

3.1. PENDAHULUAN

Model kualitas air merupakan alat untuk memberikan masukan dalam

menentukan strategi

pengelolaan dan pemantauan

kualitas air. Suatu bahan pencemar yang dibuang ke suatu perairan akan mengalami berbagai proses tergantung dari sifat


19


bahan pencemar tersebut dan factor hidraulis dari badan air penerima. Unsur pencemar dikatagorikan menjadi 4 (empat) golongan yaitu : 1. Unsur Non Konservatif 2. Unsur Konservatif 3. Unsur Panas ( Thermal ) 4. Zat Radio Aktif Unsur non konserfatif merupakan zat organic yang akan terurai secara biologis oleh mikroorganisma yang ada di dalam air. Unsur konservatif merupakan zat anorganik yang tidak terurai didalam air. Jadi apabila unsur konservatif ini dibuang ke suatu perairan, konsentrasinya tidak akan berubah ataupun berkurang dari

suatu

badan

air.

Pengurangan

unsur

yang

disebut

belakangan ini hanya dapat terjadi oleh factor pengenceran. Ditinjau dari cara pencemaran, digolongkan menjadi 2 (dua) macam, yaitu : 1. Pencemaran (pembuangan) titik 2. Pencemaran (pembuangan) garis Pembuangan air limbah yang dilakukan di satu tempat tertentu, merupakan

titik

pembuangan,

disebut

Contohnya adalah pembuangan air

pencemaran

titik.

lim\bah industri yang

dibuang melalui suatu pipa ke badan air penerima, dan anak sungai yang mengalir ke suatu induk sungai. Pembuangan air limbah yang melimpah ke dalam suatu badan air sepanjang jarak tertentu disebut pencemaran garis. Contohnya adalah


20


urban run off, air limbah pertanian yang tidak dilengkapi dengan saluran drainase dan air limbah erosi. Selain dari kedua jenis pencemaran tersebut di atas, terdapat juga

cara

pencemaran

kombinasi,

misalnya

kombinasi

pencemaran titik dan garis, dan kombinasi pencemaran banyak titik. Dilihat dari badan air penerima dapat dikatagorikan menjadi 4 (empat) golongan yaitu : 1.

Sungai

2.

Danau

3.

Air Tanah

4.

Pantai (Estuary)

Dari kombinasi faktor-faktor tersebut di atas

maka sekurang-

kurangnya akan terdapat 32 model kualitas air yang diperoleh dari 4 unsur pencemar x 2 cara pencemaran x 4 badan air penerima. Makalah ini hanya membahas dua badan air penerima yaitu sungai dan danau.

3.2. KONSEP NERACA MASSA PADA TITIK PEMBUANGAN


21


Q 2C

Q 1C

2

Q 0C

1

0

GAMBAR 3.1 : KONSEP NERACA KESEIMBANGAN

Apabila suatu air sungai dengan debit Q 1 mengandung unsur pencemar sebesar C1, menerima air buangan (air limbah) dengan debit Q2 dan mengandung unsur pencemar pencemar sebanyak C2, maka konsentrasi campuran C O dari air buangan adalah :

CO =

+ Q 2 C2 Q1 + Q 2

Q1 C1

--------------------------------------- (3.1)

QO = Q1 + Q2

Apabila pada

sedikit setelah posisi buangan titik tersebut

berlaku Peraturan Pemerintah No.20 Tahun 1990 Tentang Pencemaran Air yang mengatur tentang Baku Mutu Peruntukkan badan Air Permukaan / Sungai seperti :

TABEL 3.1 : PERUNTUKKAN GOLONGAN SUNGAI No

KELAS


PERUNTUKKAN BADAN AIR/SUNGAI

22


1

I



Air yang digunakan sebagai air baku air minum, pariwisata air, perikanan air tawar, penyiraman tanaman dan peruntukkan lain yang sesuai dengan mutu kebutuhannya.

2

II



Air yang digunakan perikanan air tawar, penyiraman tanaman dan peruntukkan lain yang sesuai dengan mutu kebutuhannya.

3

III



Air yang digunakan sebagai perikanan air tawar, penyiraman tanaman dan peruntukkan lain yang sesuai dengan mutu kebutuhannya.

4

IV



Air yang digunakan penyiraman tanaman dan peruntukkan lain yang sesuai dengan mutu kebutuhannya.

Sumber : Peraturan Pemerintah No.82 Tahun 2001 Tentang Pencemaran Air.

Kelas tersebut memiliki baku mutu standar ( Streamt Standart ) yang bilamana konsentrasinya terlampui setiap parameter ( baik fisika, kimia dan biologi ) dapat dikatakan kondisi perairan tercemar. Model tersebut berlaku untuk unsur pencemar yang bersifat non konservatif, konservatif pembuangan panas, maupun zat radio aktif. Permasalahannya apabila kondisi perairan dibagian hulu buangan titik ini sudah tercemari maka pengelolaannya tidak sesederhana mungkin. Jika bagian hilir yang diperhitungan ternyata kondisi tercemar maka pengelolaannya bisa dilakukan pada sumber buangan titik tersebut selama bagian hulu belum mengalami pencemaran.

Contoh Soal :


23


Ada sebuah sungai dimana terletak buangan titik

dari suatu

industri dengan kondisi sebagaimana berikut :

3.3. ZONA PENGADUKAN SEMPURNA

Air limbah yang dibuang ke suatu sungai (pencemaran titik) akan teraduk sempurna setelah mengalir sejauh Lm dari titik pencemaran. Jarak Lm tergantung dari cara menempatkan lokasi titik

pembuangan

ke

dalam

sungai,

yaitu

apabila

titik

pembuangan dilaksanakan di tepi sungai, modelnya adalah :

2

Lm = 2.6

U

B

H

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

(3.2) Sedangkan untuk titik pembuangan yang dilaksanakan di tengah sungai modelnya adalah :

2

Lm = 1.3

U

B

H

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

(3.3) Keterangan : Lm

= jarak

dari

titik

pencemaran

ke

zona

pengadukan sempurna, ft.


24


U

= kecepatan air sungai r

ata-rata, fps B

= lebar air sungai rata-rata, ft

H

= dalam/tinggi air sungai rata-rata, ft

3.4. UNSUR NON KONSERVATIF

a. Pembuangan titik Unsur non konservatif yang dibuang ke dalam sungai akan terurai secara biologis menurut reaksi tingkat pertama, yaitu laju penguraian unsur tersebut berbanding lurus dengan konsentrasi pada setiap waktu. Dengan demikian persamaan neraca

masa

pada

keadaan

tunak

adalah

persamaan

diferensial linier tingkat pertama, yaitu :

I

d[ Q C

A

dx

]

= - KC…………………………………….

(3.4) Keterangan: A

= luas penampang basah sungai

Q

= debit air sungai

C

= konsentrasi

unsur

non

konservatif

(zat

organic) x

= jarak dari titik pembangan ke titik yang ditinjau ke arah hilir

K

= konstanta laju penguraian zat organic

Pada jarak x = 0, maka C = C O, dimana CO diperoleh dari persamaan (3.1). PEMODELAN LINGKUNGAN

25


dQ

Apabila debit air konstan,

dx

= 0, maka persamaan (3.4)

menjadi : Q

dC

A

dx

= - KC

Asumsikan luas penampang basah sungai tetap, dA/dx = 0, maka :

U

dC dx

= - KC

…………………………………. (3.5)

Pemecahan persamaan (3.5) dengan kondisi C = C O adalah :

C = CO exp.

Apabila L =

x u

−

Kx u

……………………………….(3.6)

maka persamaan (3.6) menjadi :

C = CO exp. (- Kt)…………………………….. (3.7) Dimana t = waktu tempu zat organic mengalir didalam air sungai. Logaritmik dari persamaan (3.7) adalah : ln C = ln CO - Kt …………………………………(3.8) apabila ln C diplot terhadap t atau x pada kertas semi logaritmik maka akan diperoleh garis lurus dengan sudut = K untuk absis t dan sudut K/U untuk absis jarak.


26


U X

C

C

O

m g /l

jarak x w a k t u te m p u h t

X

sudut

= K / U u n t u k j a ra k = K u n t u k w a k tu t em p u h

ln C

x atau t

GAMBAR 3.3 : GRAFIK PENGURANGAN CEMARAN

Unsur non konservatif akan berkurang secara eksponensial dengan laju penurunan sebesar K. b. Pencemaran Mikroba Sumber mikroba yang terdapat didalam air sungai berasal dari limpasan limbah rumah tangga, sampah dan limbah peternakan. Mikroba-mikroba utama yang banyak dijumpai pada badan-badan air adalah bakteri dan virus. Di perairan, mikroorganisme akan mati karena kondisi lingkungannya kurang sesuai. Kematian mikroorganisme dalam perairan hampir sama dengan penguraian zat organic, yaitu :

dB dt

= KB ………………………………………………..

(3.9)


27


Integrasikan persamaan (3.9) akan diperoleh :

ln

B

= - Kt …………………………………………

BO

(3.10) untuk bilangan dasar e, atau

B

log

= - kt …………………………………………

BO

(3.11) untuk bilangan dasar IO, dengan keterangan : BO

= jumlah mikroorganisme semula

B

= jumlah mikroorganisme pada saat t

B/BO

= bagian mikroorganisme yang hidup

(1 - B/BO)

=

bagian mikroorganisme yang mati

Laju penguraian kematian mikroorganisme K tergantung dari temperatur, pH, nutrien, sedimentasi dan absorpsi, serta kompetisi mikroorganisme itu sendiri. c. Pembuangan Garis Model dari pembuangan garis kedalam sungai adalah :

C =

CD K

(1 – e -Kx/u) =

CD K

((1 – e-Kt) ………………

(3.12) Keterangan : CD =


W A

, dan W = beban pencemaran

28


Notasi lainnya sama dengan notasi sebelumnya.

U X

C

C =

C D K

(1 - e

- Kx/u

)

C D K

X

GAMBAR 3.4 :BEBAN GARIS

3.5.

UNSUR KONSERVATIF

Unsur konservatif dengan konsentrasi C O tidak berkurang atau bertambah

sepanjang

aliran

sungai

selama

tidak

ada

penambahan atau pengurangan debit dan konsentrasi. Jadi unsur konservatif konsentrasinya akan berubah bila ada pembebanan baru atau pencemaran. 3.6. PENCEMARAN PANAS

Pencemaran

panas

dapat

memberikan

dampak

terhadap

kehidupan flora dan fauna yang ada dalam air.


29


In p u t p a n a s = W

Q T

u

= T

O

C

p

Q

e

U

b

T

T

H

T

D

W i la y a h k e l e b i h a n p a n a s

Tb

b

ja r a k x

O GAMBAR 3.5 : INPUT PENYEBARAN PANAS

Input panas kedalam suatu badan air dinyatakan dengan : WH = P . CP . Qe . T ……………………………… (3.13) Keterangan : WH = input panas P

= berat jenis air limbah

CP

= spesifik panas dari air

Qe

= debit

T

= temperatur air limbah

Satuan WH yang tipikal adalah :

 lb   . l  ft 3 

Wh (106 Btu/hari) = P 

.

0,1337

ft

Btu .Q lb . O f

 MG    . l (Of)  Hari 

3

gal

atau


30


 g  Wh (K cal/hari) = P  3  . l  cm  103

 m3 . Q  g . Oc  Hari Cal

 O   . l ( c) . 

Cm 3 . Kcal m3 . Cal

Pada kondisi tunak dimana tidak ada perubahan pada parameter iklim dan variable lingkungan lainnya maka persamaan dasar dari penurunan panas sepanjang aliran sungai adalah :

U

dC dx

= - kC ……………………………………… (3.14)

atau

U

dT dx

K

= - PC H (T – Tb) = - Kr (T – T b) …… (3.15) p

Keterangan : T

= temperatur air sungai rata-rata, OC

Tb

= temperatur air sungai mula-mula, OC

K

= koefisien pertukaran panas rata-rata (heat exchange coefficient), cal/cm2 . menit . OC

P

= berat jenis air, g/cm3

Cp

= spesific panas dari air, cal/g . OC

H

= kedalaman air, cm]

K r

= koefisien pertukaran (exchange coefficient), hari-1

Keterangan : K

K r = P C H p Pada jarak x = 0, maka T = T O (temperatur campuran). PEMODELAN LINGKUNGAN

31


Substitusikan parameter-parameter ini ke persamaan (3.15) akan diperoleh :

 

T = (TO – Tb) exp.  −

K r x 

 + Tb 

u

…………………………

(3.16) Harga K tergantungdari temperatur rata-rata air sungai dan kecepatan angin di atas permukaan di atas permukaan air seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini :

) C O 2 / ) T + e T (

= m T a t a r a t a R r u t a r e p m e T

35 2 o. C

30

m . W . K , t n 6 i ic e f f 0 5 c o e 0

25

g e a n h c e x a t 2 3 0 e h 5 c e a f r 2 y S 0

20 15 10

3 5

1 0 0

1 2 0

1 4 0

8 0

4 0

1 5

5

1

0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

W in d s p e e d , U m = ( m / s )

GAMBAR 3.6 : design chart for surface heat exchange coefficient

3.7 . UNSUR RADIO AKTIF

Pengurangan zat radio aktif dalam perairan dinyatakan dengan model berikut :

-

dN dt


= λ N ………………………………………(3.17)

32


Integrasikan menjadi :

Ln

N N O

N N O

m= -λ t ……………………………….. (3.18)

=e

-λt

………………………………………(3.19)

untuk bilangan dasar e, dan

N N O

= 10

– 0,434 λt

…………………………… (3.20)

untuk bilangan dasar 10. Keterangan : NO

= banyaknya atom radioaktif semua, pada t=0

N

= banyaknya atom radioaktif pada saat t = t

N

= bagian atom radio aktif yang tinggal

N O

(sisa) 1-

N N O

= bagian atom

radioaktif yang

tinggal

(telah terurai) λ

= kkonstanta

laju

penguraian

atom

radioaktif konstanta laju penguraian λ biasanya dinyatakan dengan waktu paro T, yaitu waktu t dimana 50% aktivitas radioaktif telah terhenti (mati), tidak aktif dan tinggal 50%. Hubungan antara konstanta laju penguraian dan waktu paro T diperoleh dengan mensubstitusi ½ untuk N/NO dan T untuk t pada persamaan (3.19) yaitu :


33


½ = e-λ T atau ln2 = λ T sehingga : λ T = 0,693 …………………………………… (3.21) Radioaktif dinyatakan dengan satuan Curie (C i), milicurie = mci = 10-3 Ci, mikrocurie = μ Ci = 10-6 Ci. Dinyatakan dengan mgd atau cfs, atau l/det. Bila konsentrasi dalam μ C i/ml, maka beban limbah radioaktif W (bila debit Q dalam mgd) adalah :

W=

μC i ml

x 10

6

gall hari

x

3,758 gall

i

x

10 3 ml l

W = 3,785 x 103 Ci/hari Bila Q dalam cfs, maka : W=

μC i ml

x

ft

3

sec

x

28,2 l ft 3

x

86400

det

hari

W = 2,436 x 103 Ci/hari

3.8.

MODEL OKSIGEN TERLARUT (DISSOLVED OKSIGEN)

Zat organic (unsur non konservatif) yang dibuang ke suatu badan air akan diuraikan oleh mikroba-mikroba menjadi unsur-unsur lain yang lebih stabil, CO2 dan H2O. Mikroba dalam menguraikan zat organic ini membutuhkan oksigen untuk proses respirasi dan oksigen ini diambil dari oksigen terlarut yang ada didalam air. Laju pemakaian oksigen terlarut oleh mikroorganisme adalah K 1, dimana besarnya K 1 tergantung dari jenis zat organiknya sendiri. Zat organic yang sulit terurai nilai K 1 kecil sedangkan zat organic yang mudah terurai nilai K 1 besar. Konstanta K 1 berkisar antara 0,08 PEMODELAN LINGKUNGAN

34


sampai dengan 0,30. koefisien K 1 dinamakan koefisien deoksigensi. Karena oksigen terlarut dipakai oleh mikroorganisme maka lama kelamaan oksigen terlarut dalam air sungai akan berkurang atau malahan habis sama sekali. Dalam keadaan ini maka kondisi sungai menjadi anaerobic dan septic sehingga timbul gas-gas H 2S, CH4 dan sebagainya yang berbau dan air sungai berubah warnanya menjadi kelabu sampai hitam. Secara grafis pengurangan oksigen terlarut dalam air sungai digambarkan pada grafik di bawah ini. P e n c e m a ra n organik

U

oksigen terlarut = 02

w a k t u a t a u ja r a k

R eaerasi K

2

D e f is i t oksigen D e o k s ig e n a s i K

GAMBAR

1

3.7 : FENOMENA OKSIGEN TERLARUT

Namun kedalam air sungai ini akan masuk oksigen terlarut dari udara karena adanya turbulensi dari air sungai. Selain daripada itu oksigen terlarut juga akan terbentuk dalam air sungai dengan adanya proses fotosintesa. Laju penambahan oksigen terlarut ke dalam air sungai adalah K 2 dimana besarnya K 2 tergantung dari profil sungai dan besarnya turbulensi dari air sungai itu sendiri. Koefisien K 2 dinamakan koefisien reaerasi, yang nilainya antara 0,05 untuk kolam/sungai kecil sampai dengan 0,50 untuk sungai


35


besar dan turbulensinya tinggi. Koefisien reaerasi K 2 ditentukan di lapangan. Laju deoksigenasi dinyatakan dengan :

dD dt

= k1 (La – y )

…………………………………..

(3.22)

sedangkan laju reaerasi dinyatakan dengan :

dD dt

= k2 D

……………………………………………………

(3.23) Keterangan : D

= defisit oksigen, mg/l

La

= BOD ultimate campuran, mg/l

y

= banyaknya zat organic yang telah terurai, mg/l

Dengan demikian banyaknya oksigen terlarut yang ada dalam air sungai merupakan resultante dari proses deoksigenasi dan proses reaerasi, yaitu dD/dt merupakan selisih persamaan (3.22) dan (3.23).

dD dt

= K 1 (La – y) – K 2 D …………………………………… (3.24) y = La (1 – 10-Kt) ………………………………. (3.25)

Substitusi persamaan (3.25) ke persamaan (3.24) diperoleh

dD dt


= K 1 [ La – La (1 – 10-K t ) ] - K 2D …. (3.26)

36


Integrasi, dan selesaikan persamaan (3.26), menghasilkan

Dt =

K 1 L a

(10-Kt) + Da . 10-Kt……………….. (3.27)

K 2 − K 1

Keterangan : Dt

= defisit oksigen terlarut pada setiap titik, pada saat t hari, dalam mg/l

K 1

= konstanta deoksigenasi, hari-1

K 2

= konstanta reaerasi, hari-1

La

= BOD ultimate campuran, mg/l

Da

= defisit oksigen campuran, mg/l

K 1, K 2 dan La tergantung dari temperatur K 1(T) = K 1(20)(1,047) T-20 K 2(T) = K 2(20)(1,016) T-20 T

= nilai pada temperatur 20 O C

L T

= L20 [ 1 + 0,02 (T – 20) ]

Persamaan 3.27 adalah persamaan kurva oksigen terlarut dan dinamakan modal Streeter & Phelps. Secara grafis digambarkan pada gambar berikut (absis = waktu atau jarak, dan ordinat = defisit oksigen). P e n c e m a ra n O r g a n ik

D a

La

U

sungai

w a k t u a ta u ja r a k Da

D

D e f is i t oksigen


tc

C

Kurva Dt S tr e e te r P h e lp s

37


GAMBAR 3.8 : FENOMENA OKSIGEN TERLARUT DEFISIT

Yang perlu menjadi perhaian pada kurva ini adalah waktu kritis t c dan defisit kritis DC. Waktu kritis adalah waktu dimana terjadi defisit oksigen yang maksimum = D C. Waktu kritis dinyatakan dengan :

tc =

1 K 2

K 1

−

log

 K 1La −K 2Da + K 1 Da  K 1 La 

  … K 1  

K 2

(3.28) Defisit kritis

K 1

DC =

K 2

La 10-K1tc…………………………………………………………..….

(3.29) Nilai K 2 ditentukan berdasarkan pengukuran di lapangan. Beberapa rumus empiris dalam menetapkan nilai K 2 adalah : a. O’Connor, Churchill, Langbein & Durum

K 2

=

C

Un Hm

………………………………….

………………. (3.30) Keterangan : U

= kecepatan rata-rata aliran air (m/dtk)

H

= kedalaman penetrasi sinar matahari, diukur dengan Secchi Disk, m


38


c, n, m = konstanta TABEL 3.2 : KONSTANTA PENCEMARAN

Peneliti O’Connor Churchill Langbein & Durum

C 1,29 5,0

m 0,5 1,0

n 1,5 5/3

3,3

1,0

4/3

b. Water Pollution Control Federation 1,4 U 0 ,8 R −2 ,1 (1 −e 30 R )

K 2 =

1 +18 B −1, 3

……………………….

(3.31) Keterangan : B

= lebar saluran, m

R

= jari-jari hidraulis, m

R

=

A keliling

basah

………………………………..

(3.32) c. US Geological Survey

K 2 =

3,3 U 0,32

R

------------------------------------- (3.33)

Notasi sama dengan model-model di atas Contoh Soal :


39


Diketahui sebuah sungai terdapat input buangan yang telah melalui

proses

pengolahan

dengan

metode

aerasi

dengan

gambaran sebagai berikut : BOD = 800 mg/l ; Q debit = 125 m 3/detik ; DO = 6 mg/l T = 31 0C

A BOD=20 mg/l DO = 8 mg/l T = 220C Q = 250 m 3/detik

Baku Mutu Air untuk DO > 5,0 m /l

A

Potongan A-A adalah :

30 m 50 m

Koefisien reaerasi ( φ

1

) = 1,05

Koefisien deksigenasi i ( φ

2

) = 1,02

Koefisien waktu penguraian : K 1 (20 ) = 0,23 hari

–1

untuk reaerasi;

K 2 (20 ) = 3,00 hari

–1

untuk reaerasi

Ditanyakan: 1.

Berapa BOD Maksimum yang boleh dibuang ke sungai ?

2.

Berapa efisiensi pengolahan yang seharusnya ada dan dimiliki oleh sumber buangan?;

3.

Bagaimana gambar profil pencemaran yang terjadi?. Gunakan metode Stretter Pelp untuk menyelesaikan masalah ini ?


40


Jawaban : 1.

Untuk parameter “ Dissolved Oksigen “ (DO) dan T “

DO

T

=

=

(8)( 250 ) + (6)(125 )

+125 )

(250

(22 )( 250 ) + (31)(125 ) ( 250

+125 )

= 7,33 mg / l = 25 0 C

Pada suhu normal T = 25 0 C , maka DO jenuh sebesar 8,38 mg/l (Metcalf Eddy, 1999) . Sehingga Da = DO defisit dapat diperhitungkan : DO defisit = 8,38 – 7,33 = 1,05 mg/l . 2.

Untuk parameter “ Biochemical Oxygen Demand /BOD “

BOD

=

(20 )( 250 ) + (800 )(125 ) (250

Menghitung

+125 ) koefisien

= 280 mg / l

K 1

dan

K2

dengan

mentransformasikan untuk suhu 25 0 C yaitu :

K 1 ( 25 0 C )

= (0,23)(1,05) 25 −20 = 0,29 hari −1

K 2 ( 25 0 C )

= (3,00 )(1,02 ) 25 −20 = 3,30 hari −1

Selanjutnya dengan menggunakan Metode Stretter Pelph dicari harga : tc dan Dc . Sesuai dengan baku mutu = Dc = 8,38 – 5,00 = 3,38 mg/l


41


Ini nilai DO baku mutu

t c

=

Dc

 3,3  1,05 (3,3 − 0,29 )   ln  1 −   ……………..(1) (3,3 − 0,29 ) 0,29  0,29 La   1

=

3,38

0,29 3,30

=

La .( e

0,29 3,30

0 , 29 .t c

−

La .( e

)

0 , 29 .t c

−

) …………………………………………..(2)

Dengan menggunakan metode pendekatan matematis “ trial and error “ untuk menyelesaikan persamaan ber “ anu dua buah “ yang belum diketahui yakni Coba 1 2 3 4 5 6 7

La (mg/l) 100 50 40 45 48 47 47,4

tc (hari) 0,770 0,727 0,703 0,716 0,723 0,721 0,722

Dc (mg/l) 7,03 3,56 2,87 3,12 3,42 3,35 3,38

La =47,4 mg/l (ultimate BOD) tc=0,722 hari (waktu mencapai Defisit)

Sesuai Dc yang diminta sehingga proses trial and error dihentikan dan harga pada baris ke tujuh yang berlaku

Sehingga dapat dihitung konsentrasi BOD campuran maksimal yang diijinkan :

y

= BODmaks = La.(1 − e− K .t )

BODmaks

1

c

= 47 ,4.(1 − e −0, 23 ..( 5) ) = 32 ,4mg / l


42


Sedangkan konsentrasi BOD maksimal yang harus keluar dari proses pengolahan adalah dihitung berdasarkan :

32 ,4mg / l =

C 1.(125 ) + (20 ).( 2500 ( 250

+125 )

……………sehingga

harga

C1

(konsentrasi BOD maksimal yang harus keluar ) adalah sebesar 93,2 mg/l. Pada hal sumber cemaran/industri membuang 800 mg/l maka efisiensi pengolahan adalah sebesar :

EffPengola han

=

800 − 93,2 800

x100%

= 88%

Selanjutnya untuk membuat diagram hubungan antara tc, Dt, dan BOD digunakan persamaan sebagai berikut :

K 1. La

(e− K 1t − e − K 2 t ) + Da .e− K 2 t

Dt

=

Dt

=

Dt

= 4,5667 .(e −0, 29 .t − e −3,3.t ) +1,05 .e −3,30 .t

K 2

− K 1

0,29 .( 47 ,4) (3,3 −0,29 )

(e

0 , 29 .t

−

−e

3, 30 .t

−

) +1,05 .e

3 , 30 .t

−

dengan memasukkan nilai “ t “ sembarang pada persamaan diatas sebanyak-banyak nya maka akan dapat digambarkan grafik hubungan antara Dt, t dan BOD sebagaimana gambar 3.8 diatas. Kondisi dialam diatas dalam skala laboratorium dapat dilakukan dengan mengubah skala variabel debit dan kecepatan serta morphologinya aliran dalam skala laboratorium akan tetapi dengan


43


menggunakan jenis air yang sama dengan jenis air yang ada di alam (konsentrasinya tetap).

3.9.

PENCEMARAN

AIR

TERGENANG

(DANAU

DAN

RESERVOIR)

Danau merupakan badan air yang sering kali menerima buangan air limbah dari industri, domestik, maupun limbah pertanian. Ditinjau dari aspek hidraulis, aor dalam danau dapat tercampur sempurna atau berlapis (stratifield lake). Waktu tinggal hidraulis dalam danau td dinyatakan formula sebagai berikut :

td =

V Q

-------------------------- (3.34)

keterangan : V

= volume danau

Q

= debit air yang masuk kedalam danau

a. Danau tercampur sempurna Neraca masa dari suatu danau yang tercampur sempurna adalah :

dVC dt

= W (t) – QC – KVC …………………… (3.35)

keterangan : C

= konsentrasi

unsur

yang

ditinjau

dalam

danau PEMODELAN LINGKUNGAN

44


W

= beban pencemaran yang masuk ke dalam danau

t

= waktu

K

= koefisien laju penguraian unsur pencemar

Pencemaran (3.35) menyatakan bahwa laju penguraian (perubahan) konsentrasi C terhadap waktu t dalam suatu system adalah sama dengan banyaknya beban yang masuk dikurangi dengan masa yang keluar dan masa yang hilang oleh penguraian. K untuk unsur konservatif sama dengan nol. Persamaan (3.35), ditulis berdasarkan asumsi bahwa debit Q dan koefisien laju penguraian K konstan terhadap waktu. Apabila volume danau juga diasumsikan konstan, maka penyelesaian persamaan ini menjadi :

dVC dt

=v =v

dC dt dC dt

+C

dV dt

, dimana

dV dt

=0

Pada saat t = 0 maka C = C O, sehingga dengan demikian persamaan (3.35) menjadi :

v

dC dt

+ QC + KVC = Q(t) ………………………….

(3.36) atau v

dC dt

+ K’C = W(t) ………………………………..

(3.37)


45


dimana : K’ = Q + KV Input (masukan) dari persamaan (3.36) dan (3.37) adalah W(t),

outputnya

(keluaran)

adalah

C(t)

dan

sistem

parameternya konstan yaitu K, V dan Q. Penyelesaian persamaan

(3.35)

terdiri

dari

dua

bagian

yaitu

a)

penyelesaian pelengkap (implementary) dimana ruas kanan persamaan diatas sama dengan nol, dan b) penyelesaian khusus dimana W(t) mempunyai bentuk yang spesifik. Penyelesaian pertama, bila W(t) = 0, yaitu bila tidak ada input konsentrasi, maka :

dC

+

dt

K' C v

=0

dan pemecahan persamaan ini adalah :

 

C= CO exp. −

k' v

 

t 

  Q

 

= CO exp. −   + K  t      v

  1  

   

= CO exp.  −  + K  t  ………………………. (3.38) td

Persamaan

(3.38)

menunjukkan

bahwa,

dengan

bertambahnya waktu, pengaruh dari kondisi konsentrasi awal CO akan berangsur-angsur berkurang dan hilang dari sistem. Pengurangan konsentrasi terhadap waktu pada suatu level tertentu tergantung dari dua faktor, yaitu : i) Berbanding terbalik dengan waktu tinggal dalam danau dan ii) Koefisien laju penguraian unsur pencemar Bentuk spesifik dari W(t) adalah apabila input berubah, dari satu level ke level yang lainnya tidak lagi pada konsentrasi PEMODELAN LINGKUNGAN

46


konstan

(atau

pembebanan

nol),

maka

persamaan

diferensialnya menjadi :

V

dC dt

+ K’C = W U(t) ………………………………..

(3.39) Keterangan : K’

= koefisien laju penguraian dari unsur pencemar yang baru

W

= pembebanan baru

Penyelesaian persamaan di atas menjadi :

CU =

W K

 1 − exp  − K'  t     …………………………..  v    

(3.40) Atau

CU =

W Q + KV

   Q   − − + 1 exp K t      V  ……………….    

(3.41)

=

W 1 −exp Q (1 +Ktd )

−

1 td

K t

+

………………….

…. (3.42) Indeks u menyatakan “step response” Apabila

C

adalah konsentrasi keseombangan (konsentrasi

jenuh) maka : PEMODELAN LINGKUNGAN

47


C=

W Q +KV

W ……………………… Q ( 1 +Ktd )

=

(3.43)

Untuk

unsur

konservatif K

=

0

sehingga

konsentrasi

keseimbangannya adalah :

C

=

W Q

………………………………………….. (3.44)

Respon total merupakan penjumlahan persamaan (3.38) sebagai kondisi awal, dan respon yang disebabkan oleh pembebanan tambahan (step load) persamaan (3.42), yaitu :

   Q     Q   − −   + K  t  + C O exp.   1 exp.  + K  t  C =   Q + KV      V      V W

…………………………………………………………………………. (3.45)

b. Danau berlapis Terjadinya

danau

berlapis

diakibatkan

oleh

perbedaan

temperatur air dibagian atas dan dibagian bawahnya. Bagian atas yang mempunyai temperatur lebih tinggi daripada dibagian bawah dinamakan zona epilimnion sedangkan dibagian bawahnya dinamakan hipolimnion.


48


W

1

Q

1

E '1 2

E li m n i o n

H

1

H ip o lim n i o n

H

2

2

W

GAMBAR 3.9

2

: DANAU / KOLAM BERLAPIS

Zona epilimnion menerima beban W yang masuk dari luar dan juga aliran Q, namun kemudian tercampur dengan zona hipolimnion. Bagian bawah danau, atau lapisan bawah danau, juga menerima unsur/zat yang berasal dari bawah danau sebagai akibat dari penguraian sedimen. Persamaan neraca masa untuk epilimnion (indeks 1) dan hipolimnion (indeks 2) adalah :

V1

dC 1 dt

= W1 – QC1 + E’12 (C2 – C1) – V1K 1C1……………

(3.46) V2

dC 2 dt

= W2 + E’12 (C1 – C2) – V2K 2C2……………………

(3.47) dimana E’12 adalah koefisien pencampuran vertikal yang dinyatakan dengan :


49


E’12

=

E 12 A12 Z12

………………………………………….

(3.48) dimana

E12

adalah

dispersi

vertikal.

A12

adalah

luas

permukaan antara lapisan 1 dan lapisan 2 (interfacial), dan Z12 adalah jarak vertikal dari pusat lapisan I sampai ke jarak yang sama di lapisan 2 apabila H 2 > H1, dan t yang sama. Jarak ini akan menjadi = H/2 bila H2 = H1, dimana H adalah kedalaman/tinggi air total sedangkan H1 dan H2 masingmasing adalah tingginya zona epilimnion dan hipolimnion. Penyelesaian persamaan (3.46) dan (3.47) pada keadaan tunak menghasilkan : (Q + E12’ + V1K 1) C1 + (-E12’) C2 = W1

…………………….

(3.49) (-E12’) C1 + (E12’ + V2K 2) C2 = W2 …………….…… (3.50) atau dalam bentuk matriks dapat ditulis sebagai berikut :


50


a a C  W = a a   C   W  1 1 1 1 21

………………………………… (3.51)

22 21 2

Keterangan : a11

= Q + E’12 + V1K 1

a12

= -E’12

a21

= -E’12

a22

= E’12 + V2K 2

Dengan demikian konsentrasi unsur pencemar di zona epilimnion dan hipolimnion masing-masing adalah :

C1 =

+ β W2 ) / Q ……………………… 1 + ( 1 −β ) E' 12 /Q + V1 K 1 /Q (

W1

(3.52)


51


 

 12 

W

2 C2 = β   C 1 + E '   …………………………………….

(3.53)

Keterangan :

β =

E '12 x E '12

+V 2 K 2

………………………………………..

(3.54)

Contoh Soal:

Jika suatu danau , kemasukkan beban limbah sebesar (W 1) sebesar 1000 lb/day dan pada danau itu pula terdapat masukkan debit dari sungai sekitarnya sebesar Q = 40 cfs dan beban sedimen sebesar W 2 = 100 lb/day . Bila luas permukaan danau adalah sebesar A = 1x 106 ft2 dan besarnya koefisien vertikal dispersion (E) sebesar 0,1 m2/sec dengan laju penguraian kandungan cemaran organik k = k 1 – k 2 = 0,2 hari-1 . Ditanyakan konsentrasi lapisan (1) dan lapisan (2) atau nilai C1 dan C2 .

Jawab :


W1 = 1000 lb/day

52


H1 =4 ft

Q=40cfs

E

1 2

H2 = 6ft

W2 = 100 lb/day

Luas danau = A = 1 x 10 6 ft2

; Koefisien Vertikal Dispersi =(E12 = 0,1

cm2/sec Koefisien laju penguraian k = k1 = k2 = 0,2/hari Dari data yang diketahui H 1 ≅ H2 maka Z12’ = (H1 +H2 )/ 2

Z12’ = (4+6 )/ 2 = 5 ft bila 1 ft = 30,48 cm, maka

 ft 2   x1 x106 ft 2 x (0,1) 2 2  sec  30,48 cm  = = 21,52 ft 3 / sec 2

cm

'

E

=

EA '

Z 12

5 ft

Kemudian dilakukan pencarian volume lapisan epilimniom dan hipoliminiom sebagai mana berikut :

V 1

= AH 1 = (1 x10 6 ) ft 2 . x4 ft = 4.10 6 ft 3

V 2

= AH 2 = (1 x10 6 ) ft 2 . x6 ft = 6.10 6 ft 3

Mencari harga β dengan menggunakan rumus :

β =

E 12 ' 12

E

+ V 2 k 2

21,52

=

3

21,52

ft

sec


+

ft 3

sec (6 x10 6 ) ft 3 .0, 2

= 0,6077 ≅ 0,608

86400 sec

53


Mencari konsentrasi lapisan permukaan (1) dan (2)

C 1

=

(W 1 + β W 2 ) / Q (1 + (1 − β ) E '12 / Q + V 1k 1 / Q

(1000 C 1

=

lb day

+ 0,608 x100

1 + (1 − 0,607 )(

21,5 40

lb day

) /(40 cfsx 5,4)

) + ( 4 x10 x0,2) /( 86400 x40 )

= 3,41mg / l

6

dimana 1 mg/l = 5,4 lb/hari .

C 2 = β (C 1 +

W 2 E '12

) = 0,607(3,41 +

1000 21,5(5,4)

= 2,59 mg / l

Soal Lainnya :

Jika terdapat danau yang terletak seri pada suatu ekosistem aliran sebagaimana digambarkan pada diagram berikut : K=0

47 ug/l

270 ug/l


54


td =99,1 th

td=22,6 th 1

2

51,900 cfs

175,400 cfs

Berapa lama waktu yang dibutuhkan di waduk/danau 1 dan 2 bila dikendaki konsentrasi dari masing-masing waduk tinggal 0,5 dari nilai maksimum pada saat pencemaran dihentikan ? Jawab :

Zat pencemar adalah konservatif maka nilai K = 0 sehingga pada Waduk (1) terdapat kondisi :

WADUK (1)

t d

=

V 1

= 99,1th

Q2

dan

α 1

=

Q12 V 1

+ K 1 =

1 t d

+0 =

1 99,1

+ 0 = 0,01009 / th

Konsentrasi maksimum di Waduk 1 adalah C10 = 270 ug/l sehingga :

C 1

= C 10 e−

α 1

t

mengingat sisa konsentrasi waduk yang diinginkan adalah C 1

= 270/2 =135 ug/l. Selanjutnya dicari nilai t dengan menggunakan rumus berikut :

C 1 C 10

= e−

α 1 .t

hingga

135 270

= e −0, 01009 .t

sehingga nilai t dapat dicari dengan 0,5 = exp( −0,01009 .t ) t untuk waduk (1) = 68,9 th


55


WADUK (2)

α 2

α 12

=

=

1 t d 2

=

Q12 V 2

1 22,6

=

= 0,04425 / th

Q12 Q23 .t d 2

=

Q12 / Q23 t d 2

=

51,900 / 175,400 22,6

= 0,01309 / th

Sehingga nilai C2 dapat dicari.

C2 = C21 +C22

C 2

 exp ( − α 1t ) exp ( − α 2t )  = α 12 .C 10  + + C 20 .e −   (α 2 − α 1 ) (α 1 − α 2 ) 

C 2

= 0,01309

α 2

.270

t

 exp( −0,01009 t )  exp( 0,04425 t ) (0,04425 − 0,01009 ) + (0,01009 − 0,04425 )  + 47 . exp( −0,04425  

Dengan menggunakan hubungan C 2 dan t dan cara trial and error maka diperoleh : C2 maksimum =62 ug/l pada t = 26 tahun sehingga : C2 = 62/2 = 31 ug/l pada t = 120 tahun.

Bila digambarkan dalam sketsa gambar tanpa skala sebagaimana berikut :

C2 = 62 ug/l Washout dari waduk (1)

47 ug/l

C21

C2 =31 ug/l


56

.t )


C22

26 tahun

120 tahun

Washout dari waduk 2

BAB IV PENCEMARAN TANAH DAN AIR TANAH 4.1

UMUM

Eksploatasi sumber alam secara besar-besaran dan limbah dalam kehidupan modern dapat menimbulkan dampak tercemar nya air tanah . Faktor -faktor yang dapat menyebabkan terjadinya pencemar air tanah antara lain intrusi/resapan air garam, residu pupuk tanah pertanian, limbah septic tank, fermentasi mayat di pemakaman, buangan limbah lindi dari lokasi tempat pembuangan akhir, eksploatasi pertambangan , radioaktif dan sebagainya. PEMODELAN LINGKUNGAN

57


Penyebab pencemar tersebut akan bergerak bersama-bersama dengan arah aliran air tanah dan bila kedua zat cair tersebut bertemu pada titik temunya akan terlihat batas yang tegas dan akan terbentuk pula daerah transisi dimana sifat kedua zat cair akan berubah . Perubahan zat cair disebabkan karena fenomena difusi molekuler dan permeabilitas pada media berpori ( media porous). Faktor yang berpengaruh pada terjadinya pencemar air tanah adalah arah penyebaran dan aliran air tanah. 4.2

KOMPONEN TANAH

Tanah sebagai sistim tersusun atas oleh tiga fase yaitu fase padat, fase cair dan fase gas ( Tan, 1982)

Fase padat merupakan

campuran mineral dan bahan organik yang membentuk jaringan atau struktur tanah . Dalam struktur

ini terdapat pori yang

ditempati bersama oleh fase cairan dan gas . Dari segi komponen, tanah terdiri atas lima komponen yaitu mineral, air, udara , materi organik dan organisme ( Luthin, 1970) . Dua yang utama adalah materi mineral ( inorganik) dan materi organik

yang dapat

dikelompokkan kedalamnya. Untuk selanjutnya pembahasan akan difokuskan pada ked` a komponen diatas .

4.2.1 KOMPONEN CAIR

Air tanah mengisi ruang ( pori)

tanah ataupun menempel pada

partikel tanah bila tanah tersebut dalam kondisi hanya lembab ( moist ) saja. Air tanah secara alami juga tidak murni ( pure) . Air tanah ini mengandung paling tidak sedikit gas dan padatan yang terlarut. Komposisi dari larutan tanah atau air tanah tergantung PEMODELAN LINGKUNGAN

58


dari beberapa faktor seperti misalnya komposisi semula dari air itu sendiri sebelum sampai atau menjadi air tanah , tekanan parsial dari gas-gas yang terlarut , jenis mineral tanah dimana air tersebut telah atau sedang berada., pH dan potensial oksidasi dari air atau larutan tanah tersebut. Sebagai Pencemar

medium

untuk

bergeraknya

zat-zat

misalnya

zat

yang terlarut , fungsi air tanah ini sangat penting.

Raeaksi-reaksi antara zat pencemar dengan partikel tanah pada umumnya adalah reaksi antara zat dalam bentuk terlarut dalam air tanah

( solil solution) dengan partikel tanah. Sebaliknya tanah-

tanah yang telah tercemar akan melepaskan zat pencemarnya , melalui mekanisme desorpsi ataupun pelarutan kedalam air tanah tersebut yang selanjutnya akan bergerak bersama air tanahnya. Kondisi dinamis selalu terjadi antara zat atau kation yang terdapat dalam fase cair dengan yang terdapat dalam fase padat yakni massa tanah tersebut ( solid matrix) . Dalam hal ini jelas bahwa luas kontak antara partikel tanah dengan air merupakan faktor yang penting dalam reaksi zat terlarut denga tanah selain karakter dari zat pencemar tersebut.

Makin luas bidang kontak , akan

semakin intensif reaksi yang terjadi. Dengan demikian kadar atau konsentrasi zat atau ion-ion dalam air tanah akan selalu berubahubah tergantung lingkungannya

.Dalam

kondisi

tidak

jenuh

pergerakan massa air masih terjadi , walaupun tidak selancar pergerakan dalam kondisi jenuh. Pergerakan dalam kondisi tak jenuh ini umumnya adalah gerakan vertikal. Pada kondisi jenuh , air tanah mengisi penuh ruang atau pori antara butir tanah. Kondisi jenuh ini umumnya masih diisertai juga dengan adanya gelembung udara atau gas-gas


lain. Selain itu,

59


didalam air juga terdapat gas-gas yang terlarut seperti misalnya oksigen, karbondioksida dan sulfida. Air ini dapat meresap atau ditahan oleh tanah karena adanya beberapa gaya yang bekerja padanya seperti gaya adhesi, kohesi dan gravitasi. Berdasrkan gaya-gaya tersebut diatas maka air didalam tanah dapat dibedakan menjadi : 1. Air higroskopis

Air yang diserap tanah dengan sangat kuat oleh gaya-gaya permukaan yang sangat kuat , seperti misalnya gaya adhesi antara partikel tanah dengan air dan gaya kohesi. Air yang terkat oleh gaya adhesi ini praktis atidak bergerak dan tidak bisa digunakan oleh tanaman. 2. Air Kapiler

Air kapiler adalah air yang terikat oleh gaya kohesi yatu gaya tarik antar molekul-molekul air yang terdapat dalam bentuk vcair berupa lapisan tipis air disekeliling partikel tanah dalam pori mikro. Air dalam kondisi ini dapat bergerak dan diserap oleh air . Reaksi antara zat pencemar dengantanah atau sebaliknya dapat terjadi secara intensif dalam air kehesi ini. 3. Air Gravitasi

Air gravitasi adalah air yang terdapat dalam pori makro dan bergerak bebas melalui pori-pori dalam responnya terhadap gravitasi . Air gravitasi ini dapat mengalir dengan bebas dan berperan penting dalam transportasi zat pencemar dalam tanah. 4.2.2 KOMPONEN PADAT


60


Ditinjau

dari

komponen

yang

membentuk padatan ,

tanah

terbentuk dari dua komponen yakni komponen anorganik dan komponen organik.

Komposisi dari kedua komponen tersebut

sangat bervariasi . Dari segi profil , dapat dikatakan bahwa lapisan atas top soil umumnya mempunyai komponen organik yang lebih banyak dibandingkan lapisan dibawahnya . Tanah dengan vegetasi penutup yang lebat juga mempunyai komponen organik yang lebih tinggi

bila dibandingkan dengan tanah yang tidak ditumbuhi

tanaman. Tanah hutan misalnya akan mempunyai lapisan humus (zat organik)

yang lebih banyak dibandingkan dengan tanah

gersang. Konsep yang membagi tanah sesuai dengan posisi vertikal /kedalaman dan tipikal kandungan zat organik atau tingkat pelapukannya sering digunakan dengan sebutan horizon tanah . Horizon tanah dapat digambarkan sebagai berikut : Horizon O Horizon A ( A1, A2…..An ) Horizon B ( B1, B2…..Bn ) Horizon C Bed Rock Gambar -1

: Horizon Tanah ( Suprihanto, 1994)

Keterangan :



Horizon O = merupakan tanah yang mengandung zat organik yang diantaranya belum terurai atau terdegradasi. Horizon ini biasanya dibuang.



Horizon A = merupakan tanah yang banyak mengandung zat organik yang telah terurai atau tidak dalam bentuk aslinya lagi . Biasanya mencapai berbagai lapisan-lapisan.


61




Horizon B

=

mengalami

merupakan

pelapukan

bagian

secara

tanah

sempurna

meng mengan andu dung ng unsu unsurr -uns -unsur ur dari dari luar luar

yang

belum

tetapi

telah

misa misaln lnya ya zat zat orga organi nik. k.

Bias Biasan anya ya bata batas s A dan dan B tida tidak k jela jelas s yang yang terb terbag agii atas atas dasa dasarr visualisasi warna misalnya. 

Hori Horizo zon n C

=

tana tanah h asli asli yan yang g belu belum m melap melapuk uk ata atau u sedi sediki kitt

melapuk Selain padatan didalam tanah juga terdapat udara atau gas yang mengisi poriatau ruang antar padatan . Ruang pori tersebut juga mungkin terisi oleh air.

a. Komponen Anorganik

Komp Kompon onen en anor anorga gani nik k tana tanah h terd terdir irii atas atas frag fragme men n batu batuan an dan dan mineral dalam berbagai ukuran dan komposisi. Komposisi utama dari dari frag fragme men n batu batuan an umum umumny nya a terd terdiri iri atas atas mine mineral ral sili silika ka dan dan oksi oksida da.. Deng Dengan an ukur ukuran an yang yang berb berbed eda a , ukur ukuran an ters terseb ebut ut dapa dapatt digolo digolongk ngkan an menjadi menjadi menjad menjadii 3 kerlom kerlompok pok utama utama

yakni yakni fraksi fraksi

pasira pasiran n ( fraksi fraksi kasar kasar)) , fraksi fraksi sanga sangatt halus ( debu dan silt) silt) dan fraksi lempung ( liat ). Mineral silikat yang merupakan mineral utama dari kulit bumi dapat dig digolon longkan gkan

ber beradas adasrrkan kan

susu usunan

tetra etrahe hedr dra a

SiO SiO 4

dalam

strukturnya menjadi enam tipe yaitu ( Tan,1992) :



Inosilikat,



Nesosilikat,



Filosilikat,



Sorosilikat,


62




Siklosilikat,



Tektosilikat.

Fraksi pasir dan silt (debu) umumnya merupakan siklo, inomeso , sero atau tektosilikat. Fraksi inilah yang menyusun kerangka atau struktur tanah . Sedangkan bagian yang terhalus yaitu lempung umum umumny nya a dido didomi mina nasi si oleh oleh filo filosi sili likat kat.. Filos Filosil ilik ikat at ini ini meru merupa paka kan n mine mineral ral lemp lempun ung g deng dengan an stru strukt ktur ur lemb lembar aran an tetr tetrah ahed edra ra Si204 . Minera Mineral-m l-mine ineral ral terseb tersebut ut diatas diatas dengan dengan strukt struktur ur mineral mineral silika silikatt mempunyai ikatan yang kuat dibandingkan dengan struktur yang lain . Hal ini bisa dilihat dari energi pembentukannya yang relatif besa besarr yait yaitu u anta antara ra 3110 3110 - 3140 3140 kg kal/ kal/mo mol, l, bila bila diba diband ndin ingk gkan an misalnya misalnya dengan dengan mineral yang yang berbentuk berbentuk jaringan dengan dengan energi pemben pembentu tukan kannya nya yang yang hanya hanya sekita sekitarr 1800 1800 kg kal/mo kal/moll . Minera Minerall dengan

kation

K +

atau

Na+

bah bahkan kan

memp mempun unya yaii

ener energi gi

pembentukan yang lebih rendah lagi yaitu sekitar 300 kg kal / mol. Selain terbent terbentuk uk dari mineral mineral silikat silikat diatas diatas , fraksi lempung lempung juga dapat terbentuk terbentuk oleh oksida oksida

hidrous hidrous besi dan alumunium alumunium serta

kation lain yang termasuk dalam struktur mineralnya seperti Ca+ , Mg2+ dan K + .Fraks .Fraksii ini tidak tidak termas termasuk uk dalam dalam filosi filosilik likat at , tetapi tetapi merupakan oksida besi dan alumunium yang mengandung air yang bearasosiasi dengannya . Fraksi Fraksi lempun lempung g mempun mempunyai yai peran peran dalam dalam menunj menunjang ang terjad terjadiny inya a proses proses antara antara kompon komponen en tanah tanah dengan dengan dise diseba babk bkan an

lemp lempun ung g

merm mermpu puny nyai ai

zat pencem pencemar ar . Hal ini

perm permuk ukaa aan n

yang yang

berb berbed eda a

dibandingkan dengan mineral atau butir mineral dari fraksi yang lebi lebih h besa besarr . Lemp Lempun ung g yang yang umum umumny nya a terb terben entu tuk k oleh oleh kris krista tall mineral mineral , mengandung mengandung anion anion oksigen oksigen dan hidroks hidroksil il

yang terikat terikat

dengan dengan kation kation alumunium alumunium dan silikon. silikon. Dengan demikian demikian pada sisi-


63


sisi sisi

dari dari kristal kristal tersebut tersebut , ikatan ikatan yang terbuk terbuka a dari anion anion atau

kation kation terseb tersebut ut memben membentuk tuk permuk permukaaa aaan n yang yang mungki mungkin n reaktif reaktif.. Oleh karena sifatnya yang penting dalam dalam proses atau reaksi antara zat pencemar dengan tanah , maka lempung akan dibahas lebih lanjut. Selain itu, ion logam atau kation yang membentuk inti kristal dari dari mine minera rall ters terseb ebut ut juga juga akan akan mene menent ntuk ukan an kara karakt kter er atau atau reaktifitas dari mineral . Hal ini disebabkan karena adanya proses subtitusi kation yang dinamakan proses subtitusi isomorfik yatitu proses subtitusi kation kation dengan kation kation lain tanpa tanpa merubah susunan susunan kristalnya sering terjadi.

a.

Lempung Lemp ung dan da n Struktur Stru kturnya nya .

Lempung terutama terdiri dari kristal alumunium atau magnesium silikat dengan struktur struktur lembar tetrahedra silikat , T, yang mengapit mengapit atau saling saling bersusun bersusunan an dengan dengan lembar lembar okatahedra okatahedrall O

misalnya misalnya

lapisan gipsite gipsite untuk alumunium . Lapisan Tetrahedral Tetrahedral merupakan susunan ataom silikon yang masing-masing dikelilingi oleh 4 atom oksigen tetrahedral ( Lihat Gambar 2 ) .

O2

Si

O2 O2 O2 Gambar-2 : Diagram Lapisan Tetrahedral Tetrahedral


64


Sementara lapisan oktahedral

ini terdiri dari 2 lembar

terbentuk dari ataom oksigen

yang

atau hidroksil dalam susunan

hexagonal dengan atom alumunium atau magnesium pada lokasi oktahedral atau bidang diagonalnya .

O2

O2

O2 O2

O2

O2

O2

Gambar -3 : Diagram Lapisan Oktahedral

Lembar lembar ini saling melekat membentuk lapisan yang terbentuk dari dua lembar atau tiga lembar (T-O atau T - O - T ) dimana atom ataom oksigen

menjadi pengikat antara masing-

masing struktur kristal dan digunakan bersama antara dua kristal . Atom oksigen dalam lembar O yang bebas artinya tidak digunakan oleh dua atau lebih sisi kristal akan menjadi grup hidroksil yang akan berperan penting dalam penentuan sifat-sifat elektrokimia lempung. Beberapa kelompok yang penting dari lempung tersebut antara lain dari kelompok kaolinite, montmorilonit, ilite dan klorit. Selain susunan lapis terdapat pula lempung dengan susunan campuran


65


yang membentuk struktur lapis campuran seperti jaringan (fibrous) ( Grimm, 1969).

Kelompok Kaolinite

Lempung dari kelompok kaolinite mempunyai lembar dua lapis yang masing-masing lapis terdiri dari atas lembar T dan O yakni T O atau O - T . Beberapa contoh dari mineral kelompok ini adalah kaolinit dan halosit. Mineral kaolinite adalah alumino silikat terhidrasi dengan komposisi kimia umum 2SiO2.Al2O3.2H2O persel unit , sementara

haloisit

mempunyai komposisi kimia yang hampir sama dengan kaolinit yaitu

Al2O3.

2SiO2.4H2O.

Perbedaannya

hanya

terletak

pada

susunanlapisan yang kurang teratur dan kehadiran dua atau lebih lapis molekul air dalam ruang antar lapisan ( Tan, 1992) . Ditinjau dari pembentukannya , diduga haloisit merupakan precursor ( suatu pengaktif ) dari kaolinit karena pembentukannya kaolinit mengikuti suatau tahapan sebagai berikut : Batuan beku

montmorilonit

haloisit

metahaloisit

Kaonlinit

Lempung dari kelompok kaolinit ini mempunyai sifat mengembang atau mengerut yang kecil dan sulit dihancurkan (stabil). disebabkan oleh kekokohan

ikatan struktural

Hal ini

dari mineralnya .

Selain itu lempung kelompok ini mempunyai luas permukaan spesifik yang sempit sekitar 7 sampai dengan 30 m 2/gram dan kapasitas tukar kation ( KTK)

yang sangat rendah dan dapat

berubah dengan pH . Nilai KTK ini biasanya berkisar antara 1 sampai dengan 10 mev/100 gram lempung.


66


Kelompok kaolinite juga meempunyai sifat subtitusi isomorfik yang rendah . Subtitusi isomorfik artinya subtitusi atom dalam struktur kristal oleh atom lain tanpa merubah struktur kristal tersebut. Kondisi ini mendukung sifat kestabilan struktur mineral.

Kelompok Montmorilonit

Kelompok montmorilonit atau kadang kadang disebut sebagai kelompok ssmektit mempunyai struktur 3 lembar T-O-T . Kelompok montmorilonit ini mempunyai rumus umum yang sering dinyatakan sebagai Al2O3. 4SiO2.H2O + x H2O, walaupun komposisinya sangat beragam. Salah satu jenis lempung dari kelompok ini adalah yang dikenal dengan nama komersiel bentonit. Bentonit ini mempunyai atom-atom Mg dan ion-ion feri pada lembar oktahedralnya. Mineral-mineral

dalam

lempung

kelompok

montmorilonit

mempunyai ukuran butiran yang sangat halus . Luas area permukaan spesifiknyanadalh sebesar 700 s/d 800 m 2/g. Karena luasnya permukaan spesifik ini dan lemahnya ikatan antara lembar penyusunnya, menyebabkan lempung ini bila berkontak dengan air akan

mengembang.

Pengembangan

ini

disebabkan

oleh

penyerapan air dalam ruang antar lembar tersebut ( misel) dan dilaporkan hingga mencapai dua kali volume asalnya . Bila lempung tersebut mengering maka akan terjadi penyusutan dan pengerasan. Sifat penting lain dari lempung kelompok ini adalah kemampuan untuk menukar kation (KTK) yang cukup besar . Nilai KTK sebesar 70 s/d 100 mev/100g lempung dilaporkan sebagai nilai tipikal untuk montmorilonit.

Lempung

ini

juga

mempunyai

kapasitas

subtitusiisomorfik yang cukup baik.


67


Kelompok Illit

Kelompok illit merupakan kelompok lempung dengan struktur mineral lapis yang terdriri 3 lembar untuk setiap lapisnya seperti kelompok montmorilonit (T - O - T ) tetapi tidak mengembang. Lempung

kelompok

ini

adalah

tipe

mineral

lempung

yang

mengandung mika yang terbentuk secara sekunder. Mineral ini juga mengandung unsur Kalium (K) , dengan kadar yang umum variasinya antara 7 s/d 8 %. Kehadiran unsur K ini dalam struktur antar lapisnya menyebabkan lempung kelompok ini mempunyai ikatan antar

lembarnya

menjadi

kuat.

Kuatnya

ikatan ini

menyebabkan kelompok ini tidak mengembang bila terkena air. Kapasitas tukar kation (KTK) dari lempung kelompok ini berkisar antara 30 mev/100g lempung . Walaupun strukturnya leih dekat kedalam kelompok montmorilonit, tetapi sifat-sifat fisiknya

lebih

condong ke kaolinit. Contoh dari lempung kelompok illit ini adalah mineral muskovit Kelompok Chlorit

Kelompok chlorit mempunyai struktur lapisan yang berbentuk dari tiga lembar ( T - O - T ), tetapi lapisan tengah terdiri dari lembar O ( brucit, Mg(OH)2) . Mineral ini

komposisinya beragam tetapi

komposisi umumnya dilaporkan sebagai berikut (Tan, 1992) : ( Mg, Fe, Al )

6

(Si,Al )4 O10 (OH)8

Selain itu dapat pula terjadai bahwa beberap Al(III) menggantikan silikon dalam suatu proses subtitusi isomorfik . Sementara itu Mg pada posisi oktahedra (O) pun dapat disubtitusi oleh Al atau Fe.


68


Umumnya

lempung

dari

kelompok

ini

mempunyai

sifat

mengembang yang kecil. Lempung kelompok ini juga mempunyai KTK yang rendah. Keberadaan lempung ini dialam boleh dikatakan dalam frekuensi yang jarang.

4.3

FENOMENA ALIRAN PENCEMAR TANAH

4.3.1 Fenomena Transport Dan Dispersi Massa Zat Terlarut

Dalam mempelajari kontaminasi dahulu

dipahami

teori

dasar

air tanah , maka perlu terlebih pergerakan

zat

terlarut

yang

terkandung didalam air tanah. Secara umum pergerakan pencemar didalam air tanah akan dipengaruhi oleh pearmibilitas ,porositas dan tekanan piezometrik. Sedangkan mekanisme penyebaran pencemar didalam air tanah akan mengalami beberapa proses yaitu proses konveksi, proses difusi , proses dispersi dan proses kimiawi. Pada proses perpindahan atau pergerakan zat-zat ( Pencemar)

ini melalui media berpori adalah rumit.

terlarut Secara

matematis proses perpindahan atau pergerakan Pencemar dalam air tanah tetap dapat dirumuskan , namun dalam beberapa hal dibutuhkan

data

lapangan yang relatif

cukup

untuk

dapat

menerapkan persamaan -persamaan teori tersebut.


69


Ada dua proses dasar yang bekerja terhadap transport (konveksi) dan

dispersi

zat terlarut

dalam

air

tanah

(

Fetter,

1988)

sebagaimana terurai sebelumnya :

1.

Proses Konveksi adalah proses dimana pencemar terlarut

didalam air tanah mempunyai kecepatan dan arah pergerakan yang sama dengan aliran air tanah . Konveksi ini bergantung pada kecepatan aliran dimana kecepatan aliran dipengaruhi oleh aliran piezometris , pearmibilitas ( konduktivitas hidrolik) dan porositas dalam air tanah. Proses ini terdiri atas proses :

a.

Proses Difusi adalah proses spesies-spesies ionik dan

molekuler yang terurai dalam air berpindah dari daerah berkonsentrasi tinggi konsentrasi

(aktifitas kimia ) ke daerah dengan

rendah.

Proses

diffusi

pencampuran antara pencemar dengan

adalah

proses

air tanah secara

molekuler . Proses ini disebabkan oleh adanya perbedaan konsentrasi

antara

dua

konsentrasi berbeda.

cairan

yang

yang

memiliki

Proses melalui air dapat dijelaskan

dengan hukum Fick I

yang menjelaskan fluk suatu zat

terlarut pada kondisi mantap (Fetter, 1988) : F = −d .

dC dx

…………………………………………….(4.1)

Keterangan : F

= fluks massa zat terlarut persatuan luas persatuan

waktu, d

= Koefisien difusi ( luas / waktu)

C dC/dx

= Konsentrasi zat terlarut ( massa / volume) = gradien konsentrasi ( massa/volume/ jarak)


70


Tanda

negatif mengindikasikan bahwa perpindahan zat

terlarut adalah dari daerah konsentrasi tinggi kedaerah konsentrasi rendah . Untuk Kation dan anion utama dalam air harga berkisar dari 1 x 10 -9 sampai 2 x 10 -9 m2/detik. Bagi sistem-sistem dimana konsentrasi bisa berubah terhadap waktu maka Hukum Fick II bisa diterapkan ( Fetter, 1988) :

dC dt

= d .

d 2 C dx 2

…………………………………………. (4.2)

Keterangan : dC / dt = perubahan konsentrasi terhadap waktu d

= Koefisien difusi ( luas / waktu)

Kedua hukum Fick diatas hanya berlaku untuk situasi berdimensi tunggal . Oleh karena itu memperhitungkan 3 dimensi maka dibutuhkan persamaan yang lebih umum . Dalam media berpori, difusi tidak secepat difusi didalam air permukaan karena ion-ion harus menempuh jalur yang lebih panjang

ketika

lewat

disekitar

butir-butir

mineral

.

Disamping itu difusi berlangsung hanya melalui lubang -lubang

pori

karena

butir-butir

mineral

akan

sangat

menghambat atau menutup jalur. Untuk memperhitungkan ini harus dipakai suatu koefisien difusi effektif ( d* ) yang dapat dihitung : d *

= w.d ……………………………………………..…(4.3)

w adalah koefisien empiris yang ditentukan berdasarkan eksperimen

di laboratorium . Untuk zat-zat yang tidak

teradsorpsi pada permukaan mineral , nilai w berkisar dari 0,01 sampai 0,5. Jika zat terlarut diserap kepermukaan


71


mineral yang merupakan medium berpori , maka laju difusi bersih jelas lebih kecil dari pada laju difusi untuk zat-zat yang tidak teradsorpsi. Zat terlarut

bisa bergerak melalui suatu medium berpori

dengan cara difus, bahkan walaupun air tanah tidak mengalir . Jadi walaupun gradien hidrolik sama dengan nol , suatu zat terlarut masih dapat mengalir atau berpindah . Dalam batuan dan tanah yang pearmibilitasnya sangat rendah , air mungkin akan mengalir walaupun lambat . Pada kondisi ini , difusi bisa menyebabkan zat terlarut berpindah lebih cepat dari pada air tanah . Pada kondisi

yang

demikian difusi lebih penting dari pada proses adveksi. b.

Proses Adveksi adalah proses air tanah yang mengalir dan

mengangkut zat terlarut.. Kecepatan aliran air tanah dapat ditentukan dari hukum Darcy ( Fetter, 1988) :

V x

=

k dh θ

dl

…………………………………………………….

(4.4)

Keterangan : Vx

= Keepatan linier rata-rata ( kecepatan pori )

cm/detik,, k

= Konduktifitas hidrolik ( cm/detik) θ

= Porositas effektif

dh/dl = gradien hidrolik Bahan Pencemar yang mengalami adveksi berpindah dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan rata-rata linier air tanah.


72


2.

Proses Dipersi

adalah zat Pencemar dalam perpindahannya

mengalami proses penyebaran. Proses dispersi adalah proses penyebaran pencemar akibat adanya gradien kecepatan dalam pori-pori

tanah

.

Dispersi

ini

dapat

terjadi

dalam

arah

longitudinal dan dispersi dalam arah transversal. Proses ini untuk

mengencerkan

zat

terlarut

serta

memperkecil

konsentrasinya . Pengenceran Pencemar yang yang terjadi akibat

tercampurnya

fluida /zat terlarut

terkontaminasi

dengan yang tidak . Pencampuran yang terjadi sepanjang disepanjang jalur lintas fluida tersebut dinamakan dispersi longitudinal, sedang dispersi yang terjadi pada arah normal ( tegak lurus ) terhadap lintas fluida disebut dispersi lateral. Ada 3 faktor terjadinya dispersi longitudinal : -

Bila fluida bergerak melalui pori yang mana alirannya lebih cepat pada lubang pori dibandingkan melalui tepi pori,

-

Sebagian fluida itu akan berpindah melalui lintasan yang lebih panjang,

-

Fluida yang berpindah melalui lubang-lubang pori yang besar akan bergerak lebih cepat dari pada fluida yang bergerak melalui pori-poriyang lebih kecil.

Sedangkan dispersi lateral ditimbulkan oleh fakta karena fluida mengandung Pencemar yang mengalir melalui medium berpori maka lintasannya dapat terpecah dan bercabang . Ini terjadi sekalipun kondisinya merupakan kondisi lairan laminer, yang umum terjadi pada aliran air tanah. Secara umum dispersi mekanis dapat dirumuskan : Dm

= a L xV x

……………………………………………….(3.5)

Keterangan :


73


Dm

= Koefisien dispersi mekanis,

aL

= Besarnya dispersivitas dinamis,

Vx

= Kecepatan linier rata-rata.

Walaupun demikian pada kenyataannya proses difusi dan dispersi tidak dapat dapat dipisahkan pada air tanah yang mengalir. Oleh karena gabungan antara proses difusi dan proses dipersi mekanis disebut dispersi hidrodinamis yang secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut :

D L

= a L .V x + d *

……………………………………………….(3.6)

Keterangan : DL

= Koeffisien dispersi longitudinal,

aL

= Dispersivitas dinamis,

Vx d*

= Kecepatan linier rata-rata air tanah, = difusi molekuler.

Difusi dan dispersi mekanis menyebabkan zat terlarut bergerak maju lebih cepat dari pada yang diprediksi berdasarkan kecepatan linier rata-rata. Koefisien dispersi hidrodinamis (a L ) adalah fungsi yang berkaitan dengan skala

artinya semakin

luas daerah pengukurannya akan semakin besar harganya. Sejumlah harga di lapangan , untuk dispersivitas longitudinal sedimen aluvial adalah 39 - 200 ft ( 12 - 50 m) , sedangkan dispersi lateral untuk batuan yang sama misalnya berkisar 13 98 ft 9 4 - 30 m ) . Suatu penelitian tentang endapan glacier memperlihatkan harga dispersi longitudinal 69 ft ( 21 m) dan harga dispersi lateralnya 13 ft ( 4 m). Harga -harga yang lebih besar ditunjukkan oleh batuan basal yang pecah yang secara fisika bersifat heterogen. Untuk penggunaan praktis koefisien PEMODELAN LINGKUNGAN

74


dispersiivitas longitudinal aL bisa dipilih dipilih kira-kir kira-kira a 0,1 panjang panjang lint lintas asan an

alir aliran an.D .Dal alam am

mate matera raia iall

homo homoge gen n

,

disp disper ersi sivi vita tas s

longitudinalnya konstan pada harga 3 ft ( 1 m) atau kurang pada jarak kira 164 ft dari sumber. Akibat Akibat disper dispersi si hidrod hidrodina inamis mis , konsen konsentra trasi si zat akan akan menuru menurun n bila bila jarak jarak bertam bertambah bah besar. besar. Zat terlar terlarutn utnya ya akan akan menyeb menyebar ar lebih lebih banyak banyak pada pada arah aliran aliran

air tanah tanah bila diban dibandin dingka gkan n

dengan penyebaran para arah tegak lurus terhadap arah aliran. Oleh karena karena dispersivi dispersivitas tas longitudin longitudinal al selalu cenderung lebih besar dari pada dispersi lateral. Dalam proses dispersi dan transport zat terlarut dalam air tanah disamping ada proses kimia diatas juga terdapat proses fisika yang ang

memp emperla erlamb mbat at

kecepatan

perg ergerak erakan an

perpi rpindahannya

tidak

zat

terla erlaru rutt

sebesar

seh sehing ingga kecepatan

perpindahan yang diiindikasikan oleh laju adveksi.

3.

Proses kimia adalah proses reaksi kimia yang meliputi reaksi

adsorpsi-desorpsi, reaksi presipitasi , reaksi reduksi dan oksidasi serta reaksi ion komplek dan reaksi sintesa secara mikrobiologis. Pros Proses es kimi kimia a ini ini sebe sebetu tuln lnya ya tida tidak k dapa dapatt dipi dipisa sahk hkan an dega degan n kondisi kimia tanahnya . Oleh karena itu yang berakitan dengan keberadaan keberadaan Pencemar dalam tanah adalah masalah adsorpsi dan dan pert pertuk ukara aran n kati kation on . Fenom Fenomen ena a jera jerapa pan n ( adso adsorp rpsi si)) dan dan pertuk pertukara aran n ion dikemu dikemukak kakan an pertam pertama a kali kali oleh oleh Thomas Thomas Way ( 1852). A. Kapasitas Kapasitas Tukar Tukar Kation Kation (KTK) (KTK)

Kapasitas Tukar Kation (KTK) suatu tanah dapat dikatakan suatu kemampuan kolod tanah menjerap dan mempertukarkan kation


75


yang yang diny dinyat atak akan an dala dalam m mill millie ieku kuiv ivale alen n per per 100 100 gram gram ( Tan, Tan, 1982) Sedang Sedangkan kan adsorp adsorpsi si terjad terjadii sebaga sebagaii hasil hasil dari dari penari penarikan kan ion posi positi tiff oleh oleh ion ion nega negati tiff yang yang ada ada pada pada perm permuk ukaa aan n mine minera rall lempung, alumunium hidroksida , besi oksida dan lain-lain. KTK sebet ebetu ulnya lnya

sekal ekalig igu us

meru merup pakan akan

pen pentujn tujnju jukk kk

terh terhad adap ap

kemampuan kemampuan tanah tanah untuk mengadsorpsi mengadsorpsi ion-ion ion-ion positifdar positifdarii air limbah ( seperti logam beranya. Menu Menuru rutt pene penelit litia ian n dike diketa tahu huii bahw bahwa a lapi lapisa san n tana tanah h deng dengan an kandungan lempung dan organik tinggi memiliki adsorpsi yang sangat sangat besar besar diband dibanding ingkan kan tanah tanah pasir. pasir. Meskip Meskipun un demiki demikian an jenis

lempung

yang

terkandung

dalam

tanah

juga

mempengaruhi kapasitar penjerapan. Kenyataan KTK dari berbagai tanah sangat beragam , bahkan tana tanah h seje sejeni nisp spun un berb berbed eda a KTKn KTKnya ya . Besa Besarn rnya ya KTK KTK tana tanah h diupen diupengar garuhi uhi oleh oleh sifat dan ciri tanah tanah itu sendiri sendiri

antara antara lain

adalah ( Hakim Hakim dkk, 1986) : 1.Reaksi tanah atau pH, 2.Tekstur tanah atau jumlah liat, 3.Jenis mineral liat, 4.Bahan organiknya. Kapasi Kapasitas tas tukar tukar kation kation untuk untuk berbag berbagai ai tanah tanah di Indon Indonesi esia a dapat dilihat sebagaimana tabel dibawah ini : Tabel -1 : Kapasitas Tukar Kation beberapa Tanah di Indonesia Yang bearagam telksturnya ( Soepardi,1979)

N

Tanah asal


Klas Tekstur

Kapasitas

Tukar

76


o

Kation

1 2

Ciletuk Pengubuan

(meq/100gram) Lempung berdebu 8,1 Lempung Liat 22,9

3 4

(lempung) Rentang Barat Glapan Sipadi

berdebu Liat berdebu Lempung

l i at

38,8 51,2

berdebu Sumber : Hakim, N dkk , Dasar-Dasar Ilmu Tanah ( 1986)

Tabel -2 : Kapasitas Kapasitas Tukar Kation Kation beberapa beberapa Mineral Tanah liat ( Coleman and Thomas,1967)

No

1 2 3 4 5

Mineral Liat

Kapasitas Tukar Kation

(meq/100gram) Ilit (muskovit0 37 Hidrobiovit 80 Montmorillonit 100 Kaolinit 5 Haloysit 5 Sumber : Hakim, N dkk , Dasar-Dasar Ilmu Tanah ( 1986)

B. Adsorpsi Tanah Adsorpsi adalah proses dimana atom,partikel atau molekul suatu zat terikat pada pemukaan zat padat karena adanya gaya tarik menari menarik k dari dari atom atom atau atau moleku molekull pada pada lapisa lapisan n bagian bagian luar luar atau atau permukaanzat padat ( Tan,1982 ). Partikel,atom atau molekul yang ditari ditarik k disebu disebutt adsorb adsorbat at (fasa (fasa terads teradsorp orpsi) si),se ,sedan dangka gkan n zat yang yang menariknya disebut adsorben.


77


Gaya-gaya yang bertanggung jawab atas reaksi adsorpsi (jerapan) mencakup gaya fisisk,ikatan hidrogen,ikatan elektrostatik dan reaksi koordinasi. Bila suatu kation dalam larutan mengadakan kontak dengan suatu medium penyerap (tanah),maka timbul reaksi adsorpsi-adsorpsi antara fase larutan dengan fase padat. Pada umumnya reaksi ini bisa berlangsung sesaat dimana konsentrasi keseimbangan segera tercapai dan sesudah itu timbul adsorpsi kinetik yang tergantung pada waktu dimana konsentrasi dalam tanah dan larutan berubah hingga mendekati keadaan setimbang. Isoterm adsorpsi lazim dipakai untuk menyatakan hubungan antara konsentrasi zat terlarut dalam tanah dan konsentrasi zat terlarut dalam

larutan

tertentu.Berbagai

dalam

keadaan

bentuk

isoterm

setimbang telah

pada

suhu

dikembangkan

untuk

menyatakan hubungan ini.

1.Isoterm Adsorpsi Linier Isoterm adsorpsi setimbang yang paling sederhana paling sering dipakai adalah isoterm adsorpsi linier. Isoterm adsorpsi linier dirumuskan dalam bentuk persamaan ( Mathew et al.,1980 ) : S = KC + a ……………………………………(4.7)

Keterangan : S = konsentrasi zat yang teradsorpsi dalam tanah C = Konsentrasi zat dalam larutan ( mg / l ) K = Koefisien distribusi adsorpsi setimbang a = y - intercept (titik potong dengan sumbu y ) 2.Isoterm Adsorpsi Nonlinier PEMODELAN LINGKUNGAN

78


Ada empat type persamaan utama yang dapat digunakan untuk menguraikan isoterm adsorpsi non linier yaitu : 1.Persamaan Freundlich 2.Persamaan Langmuir 3.Persamaan BET ( Brunaeur,Emmett dan Teller). 4. Persamaan Gibbs.

Isoterm adsorpsi non linier yang paling sering digunakan aadalah isoterm Freundlich dan isoterm Langmuir ( Mathew et all, 1980) , sehingga dalam pembahasan ini akan dibatasi pada kedua isoterm tersebut. - Isoterm Freundlich. Isoterm ini dirumuskan dalam bentuk persamaan ( Mathew, 1980 ; Tan, 1990) : S = a. Cb ……………………………..(4.8) Keterangan a dan b adalah konstanta. Persamaan ini berbentuk parabolik. Untuk membuatnya linier , maka persamaan ini harus di logaritmis sehingga persamaan ini berbentuk : Log S = log a + b log C ……………………. (4.9)

Persamaan dalam bentuk log tersebut memberikan kurva garis lurus . Pada waktu menggunakan isoterm Freundlich , fleksibitas a dan b memungkinkan pencocokan dengan kurva . Seperti pada


79


kasus isoterm linier , isoterm Freunlich

tidak mengandung suku

yang mewakili adsorpsi maksimum. - Isoterm Langmuir Persamaan adsorpsi Langmuir pada awalnya diturunkan untuk menerangkan adsopsi gas pada permukaan bidang . Namun juga digunakan secara luas untuk menerangkan adsorpsi ion-ion pada permukaan tanah . Persamaan langmuir didasarkan kepada asumsi bahwa satu lapisan non molekuler yang terbentuk pada permukaan - permukaan zat padat . Persamaan Langmuir dapat ditulis dalam bentuk (Mathew et al, 1980; Tan, 1990) sebagai berikut :

S =

( Sm ) x(bC ) 1 + bC

………………………………..…(4.10)

Keterangan : Sm = konsentrasi maksimum zat yang terserap dalam fase padat (mg/kg); B

= konstanta kesetimbangan Langmuir.

Perbedaannya

dengan

persamaan

Freundlich,

berada

pada

konsentrasi yang sangat tinggi sehingga " bC " dalam persamaan mencapai suatu nilai yang mengakibatkan faktor " 1" dapat diabaikan . Akhirnya persamaan Langmuir dapat dirubah mewnjadi S = Sm. Dengan kata lain bila terjadi nilai C yang tinggi, permukaan adsorben menjadi jenuh dan proses adsorpsi mencapai maksimum.

4.3.2 Penyebaran Pencemar dan Mekanisme Penyebaran


80


Pencemar akan bergerak bersama-bersama dengan aliran air tanah . Bila kedua jenis zat cair tersebut bertemu maka pada permulaan titik temu akan terlihat bahwa pada bidang kontak terdapat batas batas yang tegas, sejalan dengan waktu maka akan terbentuk daerah transisi dan sifata - sifat di antara keduanya akan berubah. Efek global tersebut disebabkanoleh beberapa phenomena fisik seperti difusi molekuler dan perbedaan permeabilitas pada media berpori yang berlaku serentak. Mekanisme penyebaran kontaminan merupakan resultan dari aksi mekanis dan aksi physicochemical. Aksi mekanis merupakan distribusi kecepatan dari zat cair yang mengalir melalui media berpori yang tidak seragam, hal ini disebabkan karena efek perbatasan dari lapisan tanah. Distribusi kecepatan tersebut dibagi dalam tiga type, yaitu : 1. Distribusi kecepatan pada zat cair kental, akan mempunyai kecepatan nol pada dinding pori, di mana gradien kecepatannya akan berbentuk gradien kecepatan pada pengaliran dalam tabung kapiler. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar -4 di bawah ini.


81


Gambar-4 : Gradien Kecepatan pada Aliran Zat Cair dalam Pipa Kapiler

2.

Dsitribusi kecepatan pada media yang tidak homogen,

akan

menimbulkan

penyebaran

kecepatan

maksimum

sepanjang sumbu pori.

Gambar -5 : Penyebaran Kecepatan Maksimum

3.

Distribusi kecepatan pada fluktuasi arus yang berhubungan dengan aliran rata - rata .


82


Gambar-6 : Distribusi Kecepatan pada Fluktuasi Arus

Ketiga

aksi

mekanis

tersebut

terjadi

secara

serentak

dan

menghasilkan penyebaran mekanis.

Gambar -7: Penyebaran Mekanis

Penyelidikan terhadap aksi mekanis ini memberikansuatu aspek penyebaran secara geometris. Dalam penyelidikan tersebut terdapat dua aspek dasar yaitu : a. Penyebaran longitudinal, adalah penyebaran pada arah aliranyang

disebabkan

karena

adanya

perbedaan

makroskopik kecepatan aliran zat cair yang bergerak melalui pori. Kecepatan rata - ratanya mempunyai resultan dari komponen kecepatan sepanjang arah aliran.


83


b. Penyebaran lateral, adalah penyebaran yang terjadi pada arah normal aliran dan disebabkan karena adanya pemisahan dan pembelokan aliran yang berulang - ulang oleh partikel partikel dalam aliran zat cair. Kecepatan rata - ratanya merupakan resultan dari keceptan pada bidang yang tegak lurus arah aliran.

Gambar -7 : Penyebaran Longitudinal dan Penyebaran Lateral

Keterangan : A dan B  Penyebaran Longitudinal C  Penyebaran Lateral

Aksi physicochemical merupakan difusi molekuler yang disebabkan oleh gradien potensial kimiawi. Potensial dimiawi berhubungan dengan konsentrasi, dimana difusi molekuler terjadi pada fluida yang berada dalam keadaan tenang. Dengan adanya penyebaran pencemar dalam aliran zat cair, maka konsentrasi pencemar akan berkurang sejalan dengan bertambahnya jarak aliran. Penyebaran Pencemar dalam tanah dapat ditinjau pada reaktif maupun tidak reaktifnya Pencemar tanah tersebut disamping PEMODELAN LINGKUNGAN

84


medianya

yang

memiliki

karakteristik

media

homogen

dan

karakteristik heterogen. 2.2.1 Pencemar Non Reaktif Dalam Media Homogen

Pencemar

non

reaktif

adalah

pencemar

yang

selama

pergerakkannya tidak mengalami reaksi kimiawi , transformasi biologi dan perlindihan/perluruhan. Pergerakan pencemar non reaktif dalam media homogen disebabkan oleh adanya proses adveksi dan dispersi didalam tanah.Penyebaran pencemar non reaktif dalam media merupakan suatu bentuk kesetimbangan masa dalam suatu aquifer yang dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar-8 : Analisis Satu Dimensi Dari Pergerakan Pencemar Dalam Aquifer Air Tanah. Sumber : Wood,Eric.F, GroundWater Contaminatio From H azardous Waste , Prentice Hall,Inc , Englewood Cliffs, New Jersey 1984 Hal 419.


85


Berdasarkan konsep kesetimbangan massa dapat diturunkan persamaan aplikatif yang dapat digunakan untuk memprediksi konsentrasi pencemar non reaktif pada media homogen dalam suatu aquifer :

C Co

 X −Vx .t   X +Vx .t   1 Vx . X    = erfc  + exp    erfc     ………………………… 2 Dx Dx t Dx t   2 . 2 .     

(4.11)

Keterangan : C = Konsentrasi pencemar pada jarak X (g/m 3); Co=Konsentrasi mula-mula pencemar (g/m 3); Erfc = angka fungsi kesalahan; X = jarak (m); Vx= Kecepatan rata-rata dalam arah X (m/det); Dx= Koefisien Hidrodinamik dalam arah X; 4.4 PENCEMAR NON REAKTIF DALAM MEDIA HETEROGEN

Penyebaran pencemar non reaktif di dalam media heterogen berbeda dengan penyebaran didalam media homogen . Perbedaan penyebaran disebabkan oleh nilai permeabilitas . Disamping berpengaruh terhadap penyebaran , permeabilitas berpengaruh pula terhadap percepatan distribusi pencemar . Media dengan nilai permeabilitas rendah akan mengakibatkan jangkauan penyebaran menjadi

kecil

demikian

pula

sebaliknya

.

Sebagai

ilustrasi

penyebaran pencemar dalam media yang heterogen dapat dilihat dalam gambar :


86


Gambar - 9 : Pengaruh lapisan terhadap Pola aliran Pencemar dalam air tanah (a) Kondisi Batas; (b)akifer homogen; (c).Lapisan Permeabilitas Tinggi; (d).dua lapisan dengan permeabilitas rendah ; (e) dua Lapisan dengan permeabilitas rendah. Sumber : Tood,DK, Ground Water Hydrology , New York, John Wiley and Sons, 1980 hal 343.


87


4.5

PENCEMARAN ALIRAN AIR TANAH

4.5.1 fenomena aliran air tanah

Aliran air tanah adalah gerakan air tanah yang mengalir dari suatu ketinggian yang lebih tinggi ke yang lebih rendah melalui media berpori. Dalam hal ini yang dimaksud media berpori adalah ruangan antar butir ( intergranular) di mana ukuran pori dan jumlah pori digambarkan dalam bentuk porositas ( porosity ). Adapun definisi porositas adalah perbandingan volume pori dengan volume total. Aliran melalui media berpori dinyatakan dalam Hukum Darcy, dengan persamaan sebagai berikut :

Q

= kA

V =

Q A

dh dl

= k

…………………………………………………………………..(4.12) dh dl

……………………………………………………………….(4.13)

Keterangan :

Q

= flow rate zat cair yang melalui media dengan luas

penampang A [ L3 t-1] k

= koefisien permeabilitas [ L t-1]

dh

= kehilangan terkanan pada jarak dl

dh/dl = gradien hidrolik A

= luas penampang melintang aliran [ L2 ]


88


V

= kecepatan aliran air tanah

Hukum Darcy ini hanya berlaku untuk aliran laminer pada media berpori. Untuk mengetahui apakah aliran tersebut aliran laminer atau aliran turbulen, maka digunakan batasan bilangan Reynold. Persamaan bilangan Reynold tersebut adalah sebagai berikut.

N R

=

ρ VD µ

………………………………………………………………….(4.14)

Keterangan :

V

= kecepatan aliran [ L T-1]

d

= diameter rata - rata butir media [ L]

ρ

= densitas zat cair [ M L -3]

µ

= viskositas zat cair [ M L -1 T-1]

Seperti telah dijelaskan dalam Hukum Darcy bahwa kecepatan aliran air tanah ditentukan oleh gradien hidrolik dan permeabilitas. Adapun yang dimaksud dengan permeabilitas adalah ' suatu ukuran yang menyatakan kemampuan tanah untuk menghantarkan air pada suatu gradien tekanan'. Koefisien permeabilitas K mempunyai dimensi [ LT -1], yang disebut juga sebagai konstanta transmisi atau konduktivitas hidrolik. Angka permeabilitas dapat ditentukan dengan percobaan di laboratorium dan pengukuran di lapangan. Angka permeabilitas tersebut tergantung pada : a. Porositas butir. b. Sifat - sifat aliran yang melalui pori c. Konstanta transmisi ( konduktivitas hidrolik ) Harga koefisien permeabilitas dari berbagai media berpori dapat dilihat pada Tabel berikut. PEMODELAN LINGKUNGAN

89


Tabel-3 : Koefisien Permeabilitas dari Berbagai Jenis Tanah. Jenis Tanah

Permeabilitas [ cm/dt ]

Kerikil Pasir kasar Pasir bercampur tanah liat Pasir halus Pasir berlumpur Lempung berpasir Tanah organik terdekomposisi sedang Tanah organik terdekomposisi baik Lumpur Lempung / tanah liat

1 1 - 0.01 0.1 - 0.05 0.05 - 0.001 0.2 - 0.0001 0.005 - 0.003 0.006 - 0.002 0.008 - 0.0002 0.0005 - 0.00001 < 0.00001

Sumber : A.J. Raudkivi and R.A. Callander, Analysis of Ground Water Flow

4.5.2

METODA DAN ANALISA PERJALANAN PENCEMAR

4.5.2.1

Persamaan Penyebaran

Persamaan penyebaran dinyatakan dalam persamaan differensial yang umum memberikan gambaran hidrodinamika penyebaran dari media yang homogen. Persamaan tersebut diturunkan dari persamaan penyebaran dua dimensi dari suatu aliran zat cair pada media berpori dari suatu keadaaan aliran yang tenang menjadi suatu dimensi aliran dalam media. Persamaan adalah sebagai berikut :

2

D L

d C dX

2

+ DT

2

d C dY

2

−V X

dC dX

=

dC ……………………………………..(4.15) dT

Keterangan :


90


C

: perbandingan konsentrasi relatif aliran zat cair dengan konsentrasi mula - mula pada media [ 0 < C < 1 ]

DL

: koefisien penyebaran longitudinal

DT

: koefisien penyebaran transversal

VX

: kecepatan zat cair pada arah X

X

: koordinat pada arah aliran

Y

: koordinat normal aliran

T

: waktu sejak permulaan penyebaran

Kecepatan zat cair selalu diambil dari keceptan rata - rata pori yang dihitung dari waktu perjalanan suatu pencemar antara dua titik. Dimensi koefisien dispersi adalah [ L 2 t-1], dan bila aliran dari zat cair tersebut masuk ke media berpori untuk suatu daerah yang luas, maka penyebaran transversal tidak diperhitungkan, dan persamaan di atas menjadi sebagai berikut :

D L

d 2 C dX 2

− V X

dC dX

=

dC dT

……………………………………………….(4.16)

Persamaan di atas adalah pemecahan secara analitik oleh Shamir dan Harleman untuk meramalkan penyebaran longitudianl suatu aliran ke bawah yang melalui media horizontal. Koefisien penyebaran ( DL ) dipengaruhi oleh : -

kecepatan aliran

-

bentuk pori

Dari percobaan di laboratorium oleh Harleman dan

Shamir

diperolah : -

harga DL berkisar antara 0.0002 - 0.015 cm 2/dt

-

ukuran pasir berkisar antara 0.45 - 1.4 mm

-

harga Vx berkisar antara 0.008 - 0.12 cm/dt

-

harga DT berkisar antara 0.0001 - 0.002 cm 2/dt


91


ukuran rata - rata pasir ( D50 %) berkisar antara 0.48 -

-

1.67 mm Penurunan persamaan koefisien dispersi secara matematis tanpa melalui percobaan di laboratorium sangat sulit dilakukan. Pada tahun 1970 Bruch menurunkanpersamaan untuk koefisien penyebaran longitudinal dan transversal, berdasarkan percobaan di laboratorium diperoleh : - D50%

= 1.205 mm

- D90%

= 1.0 mm

- UC

= 1.17 ) Uniformity Coeficient )

- Porosity

= 39%

Dari percobaan tersebut persamaan yang dihasilkan adalah : 1.205

DL

= 1.8 υ NR

DT

= 0.11 υ NR0.7

Keterangan : υ

= viskositas kinematik aliran zat cair

NR

= Bilangan Reynold NR =

V X D50% υ

D50%= ukuran rata - rata partikel Persamaan itu jika diturunkan secara diferensial maka didapatkan persamaan error function complementary sebagai berikut :

C =

C t C o

=

1 / 2erfc

X − V X t 1

2( D L t )

…………………………………………………(4.17)

2

Keterangan : Co

= konsentrasi pencemar pada titik sumbernya

Ct

= konsentrasi pencemar pada waktu tempuh t

X

= jarak tempuh pencemar


92


Vx

= keceptan aliran air tanah

T

= waktu tempuh pencemar

DL

= koefisien penyebaran longitudinal

4.5.2.2 Tingkat Pencemar

Sebelum

menghitung

tingkat

pencemar

air

tanah

dengan

menggunakan rumus tersebut di atas, maka harus diketahui terlebih

dahulu

persamaan

matematik

yang

dipakai

untuk

menunjang perhitungan tersebut. Rumus matematik yang dipakai adalah sebagai berikut : • •

erfc X = 1 - erf X erf X = 1 - erfc X

keterangan :

erfcX

maka erfcX = 1 −

=

e − x

2

π X

e − x X

Dengan pertolongan Tabel 5 error function, maka didapatkan harga X. Tabel 5 : Harga Error Function X X

Erf X

X

Erf X

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0.0000 0.2227 0.4284 0.6039 0.7421 0.8427 0.9103 0.9523 0.9763 0.9891 0.9953

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

0.9553 0.9981 0.9993 0.9998 0.9999 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

Sumber : Erwin Kreyszig, Advanced Engineering Mathematics

Contoh Perhitungan Perjalanan Pencemar


93


Misal akan dihitung sampai sejauh berapa suatu " Pencemar Besi " dari sumber pencemar yang masuk kedalam air tanah bersamasama dengan dengan aliran air tanah tepat mempunyai konsentrasi sama dengan nol, bila diasumsikan pada awal sebagai berikut : Vx = Kecepatan aliran air tanah = 28 x 10-4 cm/detik. X

= Jarak antara sumber pencemar dan sumur pipa air tanah

dangkal yang diperkirakan tercemar 5 meter, Co = konsentrasi Pencemar besi dalam sumber pencemar pada t = o detik adalah 550 mg/liter, Ct = adalah konsentrasi besi dalam air tanah pada waktu t detik dalam satuan mg/liter. = 40 mg/liter D50% = 1,205 mm

;

D 90% = 1,000 mm ; Porosity tanah = 39%

dan koeffisien uniformity = 1,17 Bila temperatur 270C maka diperoleh υ = 0,8554 x 10 -2 cm2 /detik . Dengan menggunakan cara matematis dan rumus-rumus umum tersebut maka dilakukan perhitungan sebagai berikut :

N R

=

D L

=

C =

D50% xV x ν

1,8ν N R

C t C o

=

1 2

=

1, 205

erfc

(0,1205 )( 28 x10 −4 ) 0,8554 x10 −2

=

= 0,39 ≅ 0,4

1,8(0,8554 x10 2 )(0,4) 1, 20 5 −

=

5,1 x10 3 cm 2 / det ik −

X − Vx.t

2( D L .t ) 1 / 2

0,07273 =1/2 erfc X maka erfc X = 0,14546


94


erfc x = 1 - erf X maka erf X = 1 - erfc X maka erf X = 1 - 0,14546 = 0,85454 dari tabel error function didapatkan harga x sebagai berikut : erf X = 0,8427 maka X = 1,0 erf X = 0,9103 maka X = 1,2 maka dengan interpolasi didapat harga X = 1,035

erfc1.035 erfc

x - Vx t

=

(

)

2 D L t

1.035 =

1 2

500 - 28 ×10 −4 t 2( 5.1×10 t ) −3

1

2

[ 0.1478 t1/2 = 500 - 28 x 10 -4 t ]

2

0.0218 t = 25 x 104 - 2.8t + 784 x 10 -8 t2 ( dikalikan 10 8 ) 784 t2 - 2.8218 x 108 t + 25 x 10 12 = 0 t 1−2

=

2.8218

± ( 2.8218 x10 8 ) − 4( 784 ) ( 25 ×10 12 ) 2 × 784

t1 = 202283 detik = 56.19 jam t2 = 157640 detik = 43.79 jam

Setelah di check ke persamaan

x - Vx t

(

)

2 D L t

=

1

X

2

Maka t yang memenuhi persyaratan adalah t = 43.79 jam. PEMODELAN LINGKUNGAN

95


Jadi dengan jarak (x) = 5 meter waktu yang ditempuh untuk memperoleh konsentrasi besi sebesar 40 mg/l adalah : 43.79 jam Dengan menggunakan rumus - rumus dan cara perhitungan seperti tersebut di atas, maka didapatkan harga - harga seperti tabel di bawah ini : Tabel 6 : Harga Jarak Tempuh, Waktu Tempuh Pada Air Tanah Dangkal di Sekitar Sumber Pencemar Jarak (m)

Waktu ( Jam )

0 0 0.25 2.1895 0.50 4.3790 1.00 8.7580 1.50 13.1370 2.25 19.7055 3.00 26.2740 4.00 35.0320 5.00 43.7900 6.00 52.5480 8.00 70.0640 10.00 87.5800 12.00 105.0960 14.00 122.6120 16.00 140.1280 18.00 157.6440 20.00 175.1600 22.00 192.6760 24.00 210.1920 26.00 227.7080 28.00 245.2240 30.00 262.7400 32.00 280.2560 35.00 306.5300 38.30 335.4310 Sumber : Hasil Perhitungan, 1999

Ct/Co

1 0.366800 0.315200 0.248600 0.200000 0.154000 0.119000 0.086000 0.064000 0.047000 0.26800 0.015800 0.009300 0.005200 0.003300 0.001900 0.001200 0.000720 0.000420 0.000260 0.000140 0.000086 0.000064 0.000033 0.0

Ct (mg/l)

550 201.740 173.360 136.730 110.000 87.700 65.450 47.300 35.260 25.850 14.740 8.690 5.120 2.860 1.820 1.045 0.660 0.396 0.231 0.143 0.077 0.047 0.035 0.018 0.0

Dari hasil perhitungan dapat diperoleh berbagai sebagaimana berikut :


96


1 Dari hasil perhitungan pada jarak 38,30 m dari sumber pencemar didapatkan

untuk

menempuh

Pencemar

sejauh

38,30

m

dibutuhkan waktu 335,431 jam, 2 Koefisien dispersi longitudinal tergantung pada degradasi butir tanah , porositas tanah dan pearmibiltas tanah . 3 Tingkat pencemar tanah ditentukan pula oleh jenis tanah juga dipengaruhi oleh aliran air tanah. 4 Dengan

demikian

dapat

disimpulkan

rumus

penyebaran

Pencemar dapat diterapkan apabila kecepatan aliran air tanah konstan, jenis tanah homogen, dan koefisien dispersi lateral diabaikan. 5 Tingkat pencemar akan berkurang dengan bertambahnya jarak.


97


BAB V PEMODELAN KUALITAS UDARA 5.1 UMUM

Di dalam kehidupan sehari-hari kita banyak membutuhkan udara untuk kehidupan kita. Udara kita butuhkan terutama untuk pernafasan kita. Kualitas udara yang kita butuhkan terutama oksigen semakin hari jumlahnya semakin menurun.Atmosfir yang digunakan untuk menerima buangan hasil aktivitas manusia menggunakan

proses

pembakaran

domestik maupun untuk

,baik

kebutuhan

untuk

energi

kebutuhan

(listrik).Akumulasi

buangan akibat aktivitas buangan manusia ditambah unsur yang sudah ada di atmosfer menyebabkan konsentrasi udara tertentu bertambah besar. Konsentrasi

yang rendah atau tinggi dapat

memberikan dampak negatif kepada manusia dan makhluk hidup lainnya. Pencemaran udara dapat membahayakan kesehatan manusia

serta

kesehatan

dan

kelestarian

tanaman

dan

hewan,menurunkan penglihatan atau menghasilkan bau yang tidak menyenangkan. Pemantauan terhadap pencemaran udara tidak selalu mudah karena tidak praktis untuk semua buangan dari suatu pencemar. Di pihak lain cukup beralasan untuk mengontrol buangan sampai pada suatu tingkat tertentu yang konsisten dengan teknologi yang ada dan

biaya

yang

terjangkau.

Dalam

prakteknya

seringkali

dibandingkan antara batasan emisi karena pemantauan emisi lebih


98


mudah dilaksanakan walaupun yang ingin dicapai adalah kualitas udara ambien. Pada tugas ini kita diharapkan mampu menghitung dan menganalisa hasil pemantauan pencenaran udara yang ada di daerah pedurungan ,Semarang .Parameter yang diukur meliputi debu, SO2, CO, O3, NO2, NO. setelah menghitung parameter tersebut kita akan ketahui apakah udara di sekitar kawasan yang diukur tersebut sehat atau tidak ,melebihi ambang batas atau tidak. Dengan mengetahui hasil itu diharapkan tingkat pencemaran dapat dikurangi. 5.2

FENOMENA CEMARAN UDARA

5.2.1 PARTIKEL

Polutan udara berbentuk partikel-partikel kecil padatan dan droplet cairan yang terdapat dalam jumlah tinggi di udara perlu dibahas di sini karena hal partikel-partikel tersebut merupakan masalah lingkungan yang perlu mendapat perhatian, terutama di daerah perkotaan. Ukuran partikel berkisar antara diameter 0,0002 mikron sampai sekitar 500 mikron.

Pada kisaran

tersebut partikel

mempunyai umur dalam bentuk tersusupensi di udara antara beberapa detik sampai beberapa bulan. Umur partikel tersebut dipengaruhi oleh kecepatan pengendapan yang ditentukan dari ukuran densitas partikel serta aliran (turbulensi) udara. Sifat optik partikel adalah partikel yang mempunyai diameter kurang dari 0,1 mikroon mempuruhi molekul-molekul

dan

sinar seperti seperti halnya

menyebabkan

refraksi.

Partikel

yang

berukuran jauh lebih besar dari 1 mikron mempengaruhi partikel atmosfer terhadap radiasi dan visibilitas solar energi.


99


Sumber Polusi Partikel

Sumber polusi partikel berasal diantaranya dari proses alami seperti letusan volcano dan hembusan debu serta tanah dan angin. Akti Aktivi vita tas s manu manusi sia a juga juga berp berper eran an dala dalam m peny penyeb ebar aran an part partik ikel el misalnya dalam bentuk partikel-partikel debu dan asbes dari bahan bangunan, abu terbang dari proses peleburan baja dan asap dari proses proses pembak pembakara aran n tidak tidak sempur sempurna, na, teruta terutama ma dari dari abtu abtu arang. arang. Sumber partikel yang utama adalah dari pembakaran bahan bakar dari sumbernya, diikuti oleh proses-proses industri. Pengaruh Partikel Terhadap Lingkungan Pengaruh Partikel Terhadap Tanaman

Pengaruh partikel terpenting disini adalah debu, dimana debu terseb tersebut ut jika jika bergab bergabung ung dengan dengan uap air atau atau air hujan hujan gerimi gerimis s memben membentuk tuk kerak kerak yang yang tebal tebal pada pada permuk permukaan aan daun daun dan tidak tidak dapat dapat tercuc tercucii denagn denagn air hujan hujan kecuali kecuali denagn denagn menggo menggosok soknya nya.. Lapisan kerak tersebut akan mengganggu proses fotosintesis pada tanam anaman an

dan

mengh engham amba batt

masu masukn knya ya

sina sinarr

matah atahar arii

dan

mencegah pertukaran CO2 dengan atmosfer. Pengaruh Partikel Terhadap Manusia

Polutan partikel masuk ke dalam tubuh manusia terutama mela melalu luii

sist sistem em pern pernaf afas asan an,,

oleh oleh kare karena na itu itu

peng pengar aruh uh yang yang

merugi merugikan kan langsu langsung ng teruta terutama ma terjad terjadii pada pada sistem sistem pernaf pernafasa asan. n. Fakt Faktor or yang yang pali paling ng berp berpen enga garu ruh h terh terhad adap ap sist sistem em pern pernaf afas asan an teru teruta tama ma adal adalah ah ukur ukuran an part partik ikel el kare karena na ukur ukuran an part partik ikel el yang yang menent menentuka ukan n seberap seberapa a jauh jauh penetr penetrasi asi partik partikel el ke dalam dalam sistem sistem pernafasan.


100


Partikel-partikel yang masuk dan tertinggal di dalam paruparu mungkin berbahaya bagi kesehatan karena tiga hal penting yaitu : 1.

partikel tersebut mu m ungkin be b eracun karena sifat ki k imia at a tau sifat fisiknya

2.

partikel te t ersebut mu m ungkin be b ersifat in i nert ( tidak be b ereaksi ) tetapi jika tertinggal dalam saluran pernafasan dapat menggagu pembersihan bahan-bahan lain yang berbahaya.

3.

partikel-partikel te tersebut mu mungkin da dapat membawa mo molekul – molekul gas yang berbahaya baik denagn cara mengabsorbsi atau meng mengad adso sorb rbsi si,,

sehi sehing ngga ga mole moleku kull-mo mole leku kull

gas gas

ters terseb ebut ut dapa dapatt

mencapai dan tertinggal di bagian paru-paru yang sensitif. Pengaruh Partikel Terhadap Benda Lain

Partikel-partikel yang terdapat diudara dapat menyebabkan berb berbag agai ai keru kerusa saka kan n pada pada berb berbag agai ai baha bahan. n. Jeni Jenis s dan dan ting tingka katt kerusakan yang dihasilkan oleh partikel dipengaruhi oleh komposisi kimia dan sifat fisik bahan tersebut. Part Partik ikel el dapat apat mera merang ngsa sang ng koro korosi si teru teruta tama ma dena denagn gn adan adanya ya komponen yang mengandung sulfur. Polutan partikel juga dapat merusak bangunan yang terbuat dari tanah, cat dan tekstil. Pengaruh Partikel Terhadap Radiasi Solar dan Iklim

Partikel yang terdapat dalam atmosfer berpengaruh terhadap jumla jumlah h dan jenis jenis radias radiasii solar solar yang yang dapat dapat mencap mencapai ai permua permuakan kan bumi. bumi. Penyeb Penyebabn abnya ya adalah adalah penyeb penyebara aran n dan absor absorbsi bsi sinar sinar oleh oleh partikel. Salah satu pengaruhnya adalah penurunan visibilitas. Partikel juga dapat mempengaruhi iklim pada waktu pembentukan awan, hujan maupun salju.


101


Kontrol Terhadap Emisi Partikel

Tekni Teknik k untuk untuk mengon mengontro troll emisi emisi partik partikel el semua semua didasa didasarka rkan n pada pada pena penang ngka kapa pan n part partik ikel el sebe sebelu lum m dile dilepa pask skan an ke atmo atmosf sfer er.. Meto Metode de

yang yang

digu diguna naka kan n

untu untuk k

menc mencap apai ai

tuju tujuan an

ters terseb ebut ut

dipengaruhi oleh ukuran partikel. Beberapa alat yang digunakan untu untuk k

menc mencap apai ai

tuju tujuan an

ters terseb ebut ut

dian dianta tara rany nya a

sist sistem em

ruan ruang g

pengendapan gravitasi, kolektor siklon, penggosok/sikat basah dan presipitor elektrostatik. 5.2.2 SULFUR OKSIDA

Polu Polusi si oleh oleh sulf sulfur ur oksi oksida da teru teruta tama ma dise diseba babk bkan an oleh oleh dua dua komponen gas yang tidak berwarna yaitu sulfur diokside ( SO 2 ) dan sulfur trioksida ( SO 3 ), dan keduanya disebut sebagai SO x. sulfur diok dioksi side de memp mempun unya yaii kara karakt kter eris isti tik k bau bau yang yang taja tajam m dan dan tida tidak k terbakar diudara, sedangkan sulfur triokside merupakan komponen yang reaktif. Mekani Mekanisme sme pemben pembentuk tukan an Sox dapat dapat dituli dituliska skan n dalam dalam dua tahap reaksi sebagai berikut : S

+

O2

SO2

2SO2 +

O2

2SO3

So3

bisanya

diproduksi

dalam

jumlah

kecil

sela elama

pembak pembakara aran. n. Hal ini diseba disebabka bkan n 2dua 2dua faktor faktor yang yang menyan menyangku gkutt reaksi diatas. Faktor pertama adalah kecepatan reaksi yang terjadi dan fakt fakto or

kedua edua adala dalah h kon konsent sentra ras si

ekuilibriu rium

yang

diha ihasilkan

dari

SO 3

reaksi ksi

dalam dalam campur campuran an ters ersebut.

Reaksi

pembentukan SO 3 berlangsung sangaat lambat pada suhu relatif rendah rendah,, tetapi tetapi kecepa kecepatan tan reaksi reaksi meninh meninhgka gkatt denaga denagan n kenaik kenaikan an suhu. Produksi SO3 terhambat pada zona pembakaran suhu tinggi karena kondisi ekuilibrium. Jika produk dijauhkan dari zona tersebut dan dan

didi diding ngin inka kan, n,

kond kondis isii


ekui ekuili libr briu ium m

dapa dapatt

terc tercap apai ai,,

teta tetapi pi

102


kecepatan reaksi akan menghambat pembentukan SO3 dalam jumlah tinggi. Adanya SO3 di udara dalam bentuk gas hanya mungkin jika konsentrasi uap air sangat rendah. Jika uap air terdapat dalam jumlah cukup seperti biasanya , SO 3 dan air akan segera bergabung membentuk droplet asam sulfat ( H 2SO4 ) dengan reaksi sebagai berikut : SO3

+

H2O

H2SO4

Oleh karena itu komponen yang normal terdapat di dalam atmosfer bukan SO3 melainkan H2SO4. Tetapi jumlah H 2SO4 atmosfer ternyata lebih tinggi dripada yang dihasilkan dari emisi SO3, hal ini menunjukkan bahwa produksi H 2SO4 juga berasal dari mekanismemekanisme lainnya. Sumber Polusi Sulfur Okside

Hanya

sepertiga

dari

jumlah

sulfur di

atmosfer

yang

merupakan hasil aktivitas manusia, dan kebanyakan dalam bentuk SO2. Sebanyak dua pertiga dari jumlah sulfur di atmosfer berasal dari sumber-sumber alam seperti volcano, dan terdapat dalam bentuk H2S dan okside. Masalah yang ditimbulkan oleh polutan yang dibuat manusia adalah hal distribusinya yang tidak merata sehingga terkonsentrasi pada

daerah

tertentu,

bukan

dari

jumlah

keseluruhannya,

sedangkan polusi dari sumber alam biasanya lebih tersewbar merata. Transportasi bukan merupakan sumber utama polutan S) x, tetapi pembakaran bahan bakar yang merupakan sumber utama, misalnya pembakaran batu arang, minyak bakar, gas, kayu dan sebagainya. Sumber SO x yang kedua adalah proses-proses industri seperti industri pemurnian petroleum, industri asam sulfat, industri peleburan baja dan sebagainya.


103


Pengaruh Sulfur Okside Terhadap Lingkungan ♦

Pengaruh SOx terhadap tanaman Kerusakan tanaman oleh SO 2 dipengaruhi dua faktor, yaitu

konsentrasi SO2 dan waktu kontak. Kerusakan tiba – tiba (akut) terjadi saat kontak denagn SO2 pada konsentrasi tinggi dalam waktu sebentar, denagn gejala beberapa bagian daun menjadi kering dan mati, dan biasanay warnanya memucat. Kontak denagn SO2 pada konsentrasi rendah dalam waktu lama menyebabkan kerusakan kronis yang ditandai denagn menguningnya warna daun karena terhambatnya mekanisme pembentukan khlorofil. Kerusakan

akut pada tanaman disebabkan kemampuan

tanaman yang disebabkan kemampuan tanaman untuk mengubah SO2 yang diabsorbsi menjadi H2SO4 kemudian menjadi sulfat. Garam-garam tersebut terkumpul pada ujung tepi daun. Sulfat yang

terbentuk

pada

daun

berkumpul

dengan sulfat yang

diabsorbsi dari akar, dan jika terakumulasi cukup tinggi terjadi gejala kronis yang disertai dengan gugurnay daun.

♦

Pengaruh SOx Terhadap Manusia Pengaruh utama polutan SO x terhadap manusia adalah iritasi

sisitem

pernafasan,

penelitian

menunjukkan

bahwa

iritasi

tenggorokan terjadi pada konsentrasi 5 ppm atau lebih, bahkan pada individu tertentu yang sensitive terjadi pada konsentrasi 1-2 ppm. SO2 dianggap polutan berbahaya bagi kesehatan terutama terhadap orang tua dan penderita yang mengalami penyakit kronis pada sisitem pernafasan dan kardiovaskular. Individu ini sangat sensitive

terhadap

kontak

dengan

SO2,

meskipun

dalam

konsentrasi yang rendah misalnya 0,2 ppm atau lebih.

♦

Pengaruh Sox Terhadap Bahan Lain


104


Kerusakan akibat polutan SO 2 terhadap bahan lain terutama disebabkan oleh asam sulfat yang diproduksi jika SO3 bereaksi denagn uap air diatmosfer. Salah satu pengaruh SO2 terhadap bahan lain adalah terhadap cat, dimana waktu pengeringan dan pengerasan beberapa cat meningkat jika mengalami kontak denagn SO2. Konsentrasi asam sulfat dalam jumlah tinggi sebagai polutan udara dapat menyerang berbagai bahan bangunan, terutama bahan-bahan yang mengandung karbonat seperti marmer , batu kapur dan batu. Kontrol Terhadap Polusi Sulfur Okside

Beberap metode yang dapat dilakukan untuk mengurangi dan mengontrl emisi SO x adalah sebagai berikutc : 1. Penggunaan bahan bakar bersulfur rendah 2. Substitusi sumber energi lainnya untuk bahan pembakaran 3. Penghilanagn sulfur dari abhan bakar sebelum pembakaran 4.

Penghilangan SOx dari gas buanagn Penggunaanbahan bakar bersulfur rendah mungkin dilakukan

tetapi harganya lebih tinggi dibandingkan denagn bahan bakar bersulfur tinggi. Pembakaran minyak menyebabkan

emisi

SOx

sehingga

penggunaan bahan bakar minyak bersulfur rendah juga akan mengurangi emisi SOx, tetapi harganya lebih mahal dari batu arang dan persediannya juga terbatas. Penghilangan sulfur dari bahan bakar sebelum pembakaran membutuhkan beberapa cara tergantung dari bahan bakarnya dan bentuk sulfur di dalamnya. Efisien penghilangan So2 sebanyak 90% dapat tercapai denagn melalukan gas tersebut melalui larutan kapur. Masalah utama dalam sisitem ini adalah terbentuknya bahan bangunan


105


yang cukup tinggi dalam bentuk CaSo 4 padat, batu kapur yang tidak bereaksi dan abu yang harus dibuang. Cara lainnya adalah menggunakan reaksi antara ion bisulfit dengan ion sitrat. 5.2.3 KARBON MONOKSIDA

Sumber karbon monoksida di udara.

Karbon monoksida adalah suatu komponen tidak berwarna tidak berbau dan tidak punya rasa yang terdapat dalam bentuk gas pada suhu di atas –192 °C. Komponen ini mempunyai berat sebesar 96,5 % dari berat air dan tidak larut di dalam air. Karbon monoksida yang terdapat di alam dari salah satu proses sebagai berikut: 1. Pembakaran tidak lengkap terhadap karbon atau komponen yang mengandung karbon 2. Reaksi antara karbon dioksida dan komponen yang mengandung karbon pada suhu tinggi. 3. Pada

suhu tinggi,karbon

dioksida

terurai

menjadi

karbon

monoksida dan oksigen.

Sedangkan CO dapat dihasilkan dari berbagai sumber ,yaitu : 1. Berbagai proses geofisika dan biologis dapat memproduksi CO tetapi kontribusi CO ke atmosfer relatif kecil. 2. Transportasi

terutama

dari

kendaraan

–kendaraan

yang

menggunakan bensin sebagai bahan bakar. 3. Pembakaran hasil-hasil pertanian seperti sampah, sisa-sisa kayu di hutan dan sisa-sisa tanaman di perkebunan. 4. Proses-proses industri terutama industri besi dan baja. PEMODELAN LINGKUNGAN

106


Pengaruh Karbon Monoksida Terhadap Lingkungan ♦ Pengaruh CO terhadap tanaman

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa pemberian CO selama 1 sampai 3 minggu pada konsentrasi sampai 100 ppm tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap tanaman-tanaman tingkat tinggi. Akan tetapi kemampuan untuk fiksasi nitrogen oleh bakteri bebas akan terhambat dengan pemberian CO selama 35 jam paada konsentrasi 2000 ppm. Demikian pula kemampuan untuk fiksasi nitrogen oleh bakteri yang terdapat pada akar tanaman juga terhambat dengan pemberian CO sebesar 100 ppm selama satu bulan. Karena

konsentrasi Co di udara jarang

mencapai 100 ppm , meskipun dalam waktu sebentar, maka pengaruh CO terhadap tanaman biasanya tidak terlihat secara nyata.

♦ Pengaruh CO terhadap manusia

Pengaruh beracun CO terhadap tubuh terutama disebabkan oleh reaksi antara CO dengan hemoglobin ( Hb ) di dalam darah. Hemoglobin dalam darah secara normal berfungsi dalam sistem transpor untuk membawa oksigen dalam bentuk oksihemoglobin ( O2Hb ) dari paru-paru ke sel-sel tubuh, dan membawa CO 2 dalam bentuk CO2Hb dari sel-sel tubuh ke paru-paru. Dengan adanya CO hemoglobin dapat membentuk kaarboksihemoglobin. Jika reaksi demikian terjadi, maka kemampuan darah menstranspor oksigen menjadi berkurang. Afinitas CO terhadap hemoglobin adalah 200 kali lebih tinggi daripada afinitas oksigen terhadap hrmoglobin, akibatnya jika CO dan O 2 terdapat bersama-sama di udara akan terbentuk COHb dalam jumlah jauh lebih banyak daripada O 2Hb. Faktor terpenting yang menentukan pengaruh CO terhadap


107


manusia adalah konsentrasi COHb yang terdapat dalam darah , dimana semakin tinggi persentase henoglobin yang terikat dalam COHb , semakin parah pengaruhnya terhadap kesehatan manusia. Polusi udara oleh CO juga terjadi selama nerokok. Asap rokok mengandung konsentrasi lebih dari 20000 ppm. Selama dihisap , konsentrasi terencerkan menjadi 400-500 ppm. Konsentrasi CO yang tinggi tersrbut mengakibatkan kadar COHb di dalam darah meningkat.

♦ Kontrol Terhadap Polusi Karbon Monoksida

Berbagai usaha telah dilakukan untuk mengontrol polusi CO di udara. Kebanyakan usaha tersebut ditujukan untuk mengurangi polusi CO dari kendaraan bermotor karena sebanyak 64% dari seluruh emisi CO dihasilkan dari transportasi. Cara-cara tesebut diantaranya adalah sebagai berikut : 1. modifikasi mesin pembakar untuk mengurangi jumlah polutan yang terbentuk selama pembakaran . 2. Pengembangan pembakaran

reaktor

sistem

berlangsung

ekshaust

sempurna

sehingga

dan

polutan

proses yang

berbahaya diubah menjadi polutan yang lebih aman. 3. Penngembangan subtitusi bahan bakar untuk bensin sehingga menghasilkan

polutan

dengan

konsentrasi

rendah

selam

pembakaran. 4. Pengembanngan sumber tenaga yang rendah

polusi untuk

mengganti mesin pembakaran yang ada 5.2.4 OKSIDAN FOTOKIMIA

Sumber Oksidan Fotokimia

Oksidan fitokimia adalah komponen atmosfer yang diproduksi oleh proses fotokimia, yaitu suatu proses kimia yang membutuhkan


108


sinar, yang akan mengoksida komponen-komponen yang tidak segera dapat dioksidasi oleh gas oksigen.Senyawa yang terbentuk merupakan

polutan sekunder yang diproduksi karena interaksi

antara primer dengan sinar. Polutan

sekunder yang paling

berbahaya yang dihasilkan oleh siklus fotolitik NO 2 adalah ozon ( O 3 ) dan peroksiasetilnitrit. Ozon bukan merupakan hidrokarbon, tetapi konsentrasi O3 di atmosfer naik sebagai akibat langsung dari reaksi hidrokarbon. Siklus fotolitik

NO2 akan terganggu jika terdapat

hidrokarbon karena kemampuannya untuk bereaksi dengan atom oksigen atau ozon yang diproduksi. Campuran produk-produk sebagai akibat gangguan hidrokarbon di dalam siklus fotolitik NO 2 disebut smog fotokimia, yaitu terdiri dari kumpulan O 3, CO, PAN dan komponen organik lainnya. Pengaruh Oksidan Fotokimia Terhadap Lingkungan Pengaruh terhadap tanaman

Polusi udara fotokimia dapat mengakibatkan kerusakan pada tanaman. Komponen yang paling merusak tanaman aadalah ozon. Pengaruh ozon yang dapat silihat secara langsung pada tanaman adalah teerjadinya pemucatan karena kematian sel-sel pada permukaan daun, dimana daun yang lebih tua lebih sensitif terhadap kerusakan tersebut. Pengaruh terhadap manusia

Oksidan fotokimia masuk kedalam tubuh sebagai bagian dari udara dan pada konsentrasi subletal dapat mengganggu proses pernafasan normal . Selain itu oksidan fotokimia juga dapat menyebabkan iritasi mata. Beberapa gejala dapat diamati pada manusia yang diberi perlakuan kontak dengan ozon,yaitu tidak ditemukan pengaruh apapun pada konsentrasi ozon sampai 0.2 ppm,dan pada konsentrasi 0.3 ppm mulai terjadi iritasi terhadap PEMODELAN LINGKUNGAN

109


hidung dan tenggorokan. Kontak dengan ozon pada konsentrasi 1.0 sampai 3.0 ppm selama 2 jam mengakibatkan pusing berat dan kehilangan koordinasi pada beberapa orang yang sensitif.kontak dengan ozon pad konsentrasi sekitar 9.0 ppm selama beberapa waktu mengakibatkan edema pulmonari pada kebanyakan orang. Ozon dapat menyebabkan kerusakan kimia pada beberapa bahan tertentu seperti organik polimer,termasuk karet serta tekstil alami dan sintetis. Kontrol terhadap hidrokarbon dan polutan fotokimia

Ozon merupakan polutan sekunder oleh karena itu kontrol terhadap polutan tersebut tergantung kontrol terhadap prekursor primer, yaitu hidrokarbon dan nitrogen okside.Ada empat macam teknik yang telah digunakan untuk mengontrol emisi hidrokarbon dari sumbernya, yaitu : insinerasi Dua

macam alat insinerasi telah digunakan, yang pertama

menggunakan api untuk oksidasi lengkaaaap hidrokarbon menjadi CO2 dan air, dimana efisirmsi penghilangan hidrokarbon sangat tinggi. Alat yang kedua menggunakan katalis sehingga oksidasi hidrokarbon lengkap dapat terjadi pada suhu lebih rendah daripada dalam alat pertama .Tetapi masalah yang dihaadapi adalah kemungkinan terjadinya keracunan katalis. Adsorbsi Pada metode ini , gas-gas buangan

dilakukan pada bed yang

terdiri dari adsorber granular terbuat dari karbon aktif. Uap hidrokarbon diadsorbsi pada permukaan karbon dan tetap tinggal pada karbon tersebut sampai kemudian dihilangkan dengan cara melewatkan uap melalui sistem tersebut. Uap dan hidrokarbon


110


kemudian dikondensasi menjadi cairan dan hidrokarbon dapat diperoleh kembali untuk penggunaan selanjutnya. Absorbsi Pada metode absorbsi ini garanya hampir sama dengan metode adsorbsi , hanya bedanya gas-gas buangan mengalami kontak dengan cairan dimana hidrokarbon akan terlarut atau tersuspensi. Kondensasi Metode ini dilakukan nerdasarkan kenyataan bahwa

pada suhu

yang cukup rendah gas hidrokarbon akan mengalmi kondensasi menjadi

cairan.

Jadi

gas-gas

buangan

dilewatkan

melalui

permukaan bersuhu rendah, dan cairan hidrokarbon NITROGEN OKSIDA

Nitrogen Oksida sering disebut sebagai NO x karena oksida nitrogen mempunyai 2 macam bentuk yang sifatnya berbeda, yaitu gas NO2 dan gas NO. Sifat gas NO 2 adalah berwarna dan berbau, sedangkan gas NO tidak berwarna dan tidak berbau. Warna gas NO2 adalah merah kecoklatan dan berbau tajam menyengat hidung. Kadar NOx diudara di daerah perkotaan yang berpenduduk padat akan lebih tinggi dari daerah pedesaan yang berpenduduk lebih sedikit. Hal ini disebabkan karena berbagai macam kegiatan yang menunjang kehidupan manusia akan menambah kadar NO x diudara,

seperti

transportasi,

generator

pembangkit

listrik,

pembuangan sampah dan lain-lain. Pencemaran gas NOx

di udara terutama berasal dari gas

buangan hasil pembakaran yang keluar dari generator pembangkit listirk stasioner atau mesin-mesinn yang mneggunakan

bahan

bakar gas alam. Sumber pencemaran NO x dapat dilihat dalam tabel dibawah yang merupakaan data dari hasil penelitian di Amerika. Keberadaan gas NOx dapat di pengaruhi oleh sinar matahri yang mengikuti daur reaksi fotolitik gas NO2 berikut ini:


111


NO2

+ sinar matahari O

+ O2

O3

NO O3

+ NO

+O

(ozon ) NO2 + O2

Daur reaksi fotolitik nitrogen oksida dapat pula digambarkan sebagai berikut : Daur reaksi fotolitik tersebut di atas dapat terganggu apabila dalam udara terdapat HC (hidrokarbon), karena hidrokarbon akan bereaksi

dengan

O

maupun

O2.

Reaksi

dengan

O

akan

menghasilkan radikal bebas HC yang sangat reaktif. Radikal bebas HC akan menyerang NO menjadi NO 2 sehingga jumlah NO akan berkurang. Radikal bebas HC dapat juga bereaksi dengan HC lainnya dan menghasilkan senyawa-senyawa organic. Disamping itu radikal bebas HC yang bereaksi dengan O 2

dan NO2

akan

menghasilkan Peroxy Acetyl Nitrares atau disingkat PAN. Campuran O3, CO, PAN dan senyawa-senyawa organic di udara tersebut sebagai Photo Chemistry Smog atau kabut foto kimia. Reaksi pembentukan Peroxy Acetyl Nitrares atau PAN akan mengikuti model reaksi foto kimia sebagai berikut : a.

mengikuti daur reaksi NOx : 1.

NO2

+ sinar matahari

2.

O

+ O2

3.

O3

+ NO

O3

NO + O

(ozon ) NO2 + O2

b. pembentukan asam nitrat : 4.

O3

+ NO2

NO3

5.

NO3

+ NO2

+ H2O

6.

NO

+ NO2

+ H2O

7.

HNO2+ sinar matahari

NO

+ O2 2 HNO3 2 HNO2 + OH

c. pembentukan aldehida dan radikal peroxy : PEMODELAN LINGKUNGAN

112


d.

8.

CO + OH

9.

HO2

+ O2

CO2

+ NO

+ H2O

NO2 + OH

10. HC

+ O

R*

+ RO*

11. HC

+ O3

l RO2* + m RCHO

12. HC

+ OH

13. HC

+ RO2

n RO2* + o RCHO p RO2* + q RCHO

oksidasi NO menjadi NO2 : 14.

RO2 + NO

NO2

+ RO*

e. pembentukan PAN : 15. RO2

+ NO2

PAN

Penyebaran Nitrogen Okside

Konsentrasi NOx di udara dalam suatu kota bervariasi sepanjang hari tergantung pada sinar matahari dan aktivitas kendaraan.

Perubahan

konsentrasi

NOx

berlangsung

sebagai

berikut : Sebelum matahari terbit, konsentrasi NO dan NO 2 tetap

1.

stabil pada konsentrasi sedikit lebih tinggi dari konsentrasi minimum sehari-hari. 2.

Segera setelah aktivitas manusia meningkat ( jam 6 – 8 pagi

)

konsentrasi

NO

meningkat

terutama

karena

meningkatnya aktivitas lalu lintas yaitu kendaraan bermotor. Konsentrasi NO tertinggi pada saat ini dapat mencapai 1 – 2 ppm. 3.

Dengan terbitnya sinar matahari yang memancarkan sinar ultraviolet, konsentrasi NO 2 meningkat karena perubahan NO primer menjadi NO2 sekunder. Konsentrasi NO2 pada saat ini dapat mencapai 0.5 ppm.


113


4.

Konsentrasi

ozon

meningkat

dengan

menurunnya

konsentrasi NO sampai kurang dari 0.1 ppm. 5.

Jika intensitas energi solar ( sinar matahari ) menurun pada sore hari

( jam 5 – 8 sore ) konsentrasi NO meningkat

kembali. Energi matahari tidak tersedia untuk mengubah NO

6.

menjadi NO2 ( melalui reaksi hidrokarbon ), tetapi O3 yang terkumpul sepanjang hari akan bereaksi dengan NO. Akibatnya terjadi kenaikan konsentrasi NO 2 dengan penurunan konsentrasi O3. Dari perhitungan kecepatan emisi NOx dapat diketahui bahwa waktu tinggal rata-rata NO2 di atmosfer kira-kira adalah 3 hari, sedangkan waktu tinggal NO rata-rata 4 hari. Dari waktu tinggal ini dapat diketahui bahwa proses-proses alami , termasuk reaksi fotokimia, mengakibatkan hilangnya nitrogen okside tersebut. Produk akhir dari polusi NOx dapat berupa asm nitrat, yang kemudian diendapkan sebagai garam-garam nitrat di dalam air hujan atau debu. Pengaruh Nitrogen Okside Terhadap Lingkungan ♦ Pengaruh terhadap tanaman

Adanya NOx di atmosfer akan mengakibatkan kerusakan tanaman, tetapi sukar ditentukan apakah kerusakan tersebut disebabkan langsung oleh NO x atau karena polutan sekunder yang diproduksi dalam siklus fotolitik NO2. Beberapa polutan sekunder diketahui bersifat sangat merusak tanaman. Percobaan dengan cara fumigasi tanam-tanaman dengan NO x menunjukkan terjadinya bintik-bintik pada daun dan jika digunakan konsentrasi 1.0 ppm, sedangkan dengan konsentrasi lebih tinggi ( 3.5 ppm atau lebih ) terjadi nekrosis atau kerusakan tenunan daun.


114


Fumigasi tanaman buncis dan tomat dengan 10 ppm NO menunjukkan penurunan kecepatan fotosintesis sebanyak 60-70 %, yaitu dengan cara mengukur absorbsi CO2. Absorbsi CO2 akan kembali Perlakuan

normal

segera

tersebut tidak

setelah

pemberian

menyebabkan

NO

timbulnya

dihentikan. kerusakan

tenunan daun.

♦ Pengaruh terhadap manusia

Kedua bentuk nitrogen okside, yaitu NO dan NO2 sangat berbahaya terhadap manusia. Penelitian aktivitas mortalitas kedua komponen tersebut menunjukkan bahwa NO2 empat kali lebih beracun daripada NO. Selama ini belum pernah dilaporkan terjadinya keracunan NO yang mengakibatkan kematian. Pada konsentrasi yang

normal ditemukan

di atmosfer,

NO tidak

mengakibatkan iritasi dan tidak berbahaya, tetapi pada konsentrasi udara ambient yang normal NO dapat mengalami oksidasi menjadi NO2 yang lebih beracun. Hewan percobaan yang diberi NO dengan dosis yang sangat tinggi akan memprlihatkan gejala paralisi sistem syaraf dan konvulsi. Penelitian lainnya menunjukkan bahwa tikus yang diberi NO sampai jumlah 2500 ppm akan hilang kesadarannya setelah 67 menit, tetapi jika kemudian diberi udara segar akan sembuh kembali setelah 4-6 menit. Tetapi jika pemberian NO pada konsentrasi tersebut dilakukan selama 12 menit, pengaruhnya tidak akan dapat dihilangkan kembali, dan semua tikus yang diuji akan mati. NO2 bersifat racun terutama terhadap paru-paru. Konsentrasi NO2 sebesar 800 ppm atau lebih mengakibatkan 100 % kematian pada hewan-hewan nyang diuji dalam waktu 29 menit atau kurang. Pemberian sebanyak 5 ppm NO2 selama 10 menit terhadap

manusia

mengakibatkan

sedikit

kesukaran

dalam

bernafas.


115


Kontrol Terhadap Polusi Nitrogen Okside

Penelitian dan pengembangan kontrol terhadap polusi NOx terutama diarahkan pada dua macam metode kontrol yaitu modifikasi kondisi pembakaran untuk menurunkan jumlah NO x yang dihasilkan, dan metode lainnya adalah cara untuk menghilangkan NOx dari gas pembuangan. Dalam hal ini perlu diperhatikan faktorfaktor yang mempengaruhi pembentukan NO x dalam bentuk NO, yaitu suhu pembakaran, adanya kelebihan udara yang tersedia dan waktu tinggal reaktan-reaktan pada suhu pembakaran tersebut. Suhu pembakaran yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak NOx. Jumlah udara yang lebih rendah umumnya akan menghasilkan NOx lebih sedikit, tetapi kelebihan udara pada konsentrasi tertentu akan mengencerkan gas-gas pembakaran sehingga menghasilkan suhu pembakaran yang lebih rendah, dan akibatnya terjadi penurunan jumlah NOx. Dengan prinsip ini maka beberapa cara telah dilakukan untuk mengurangi jumlah NOx yang diproduksi selama pembakaran, misalnya dengan cara pembakaran dua tahapa, resirkulasi gas pembuangan, dan injeksi dengan uap atau air. Pada metode pembakaran dua tahap, sebagian bahan bakar dibakar dengan udara dalam jumlah stoikhiometrik lebih rendah dari yang tersedia, sehingga oksigen yang tersedia tidak berlebih dan

mengurangi

jumlah

produksi

NO.

Pada

tahap

kedua

pembakaran dilanjutkan setelah penyuntikan udara ke dalam campuran. Dengan cara menghilangkan panas

di antara dua

tahap, suhu dimana pembakaran terjadi pada keadaan udara berlebih menjadi lebih rendah sehingga konsentrasi NO juga akan berkurang. Resirkulasi

gas-gas

buangan

kembali

ke dalam

ruang

pembakaran akan menurunkan konsentrasi oksigen yang tersedia.


116


Kedua hal tersebut mengakibatkan penurunan produksi NO. Uap air atau air yang disuntikkan ke dalam ruang pembakaran juga dapat menurunkan suhu apai dan mengurangi produksi NO x. Penyuntikan dengan air lebih sering dilakukan daripada uap air karena lebih mudah

tersedia,

biayanya

lebih

murah,

dan

pengaruh

pendinginannya lebih besar. Penghilangan NOx dari gas-gas buangan terutama dilakukan menggunakan reactor katalitik atau sistem absorbsi. Penggunaan katalis untuk mengubah NOx kembali menjadi N2 merupakan pemecahan masalah dalam mengatasi emissi NO x dari kendaraan bermotor. Salah satu masalah yang harus dipecahkan adalah mendapatkan satu katalis yang tahan lama. Satu katalis yang baik sekaligus dapat memecahkan beberapa masalah polutan udara, yaitu produksi CO, hidrokarbon, dan NO x dari kendaraan bermotor. Pada sistem tersebut, suatu katalis pengoksidasi dibutuhkan untuk mengubah CO dan hidrokarbon menjadi CO2dan air, sedangkan katalis pereduksi dibutuhkan untuk mengubah NO x menjadi N2. Metode adsorbsi tidak praktis digunakan untuk mengontrol produksi NOx dari kendaraan bermotor, tetapi efektif digunakan untuk mengadsorbsi gas-gas yang keluar dari teropong asap. Gas yang keluar dilalukan

melalui adsorbser padat arau cair dimana

NOx akan tertahan. Sistem adsorbsi yang mengandung air akan lebih efektif digunakan, terutama jika air tersebut mengandung komponen

alkali

dikembangkan

atau

dapat

asam

sulfat.

menghilangkan

Sistem

NO2

yang

dan sulfur

telah okside

sekaligus. 5.5 CONTOH MODEL


117


5.5.1 DATA

Misal data yang digunakan dalam laporan ini adalah data yang diperoleh dari Laporan harian kualitas udara di stasiun pemantau pada tanggal 2 Juli 2001 di stasiun SEF 2 (Pedurungan). Parameter yang dianalisa meliputi: ♦ Partikel (PM 10) ♦ Sulfur dioksida (SO2) ♦ Karbon monoksida (CO) ♦ Ozon (O3) ♦ Nitrogen oksida (NO2, NO)

Data selengkapnya dapat dilihat pada tabel terlampir. 5.6

MODEL PERHITUNGAN

Data yang telah diperoleh dihitung untuk mendapatkan harga Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU). Perhitungan besarnya indek

parameter-parameter dasar

didasarkan pada Lampiran

Keputusan Kepala Badan Pengendalian Dampak Lingkungan Nomor KEP-107/KABAPEDAL / III/1997 Tanggal 21 November 1997 Tentang Pedoman Teknis Perhitungan dan Pelaporan Serta Informasi Indeks Standar Pencemar Udara sebagaimana berikut: ♦

Konsentrasi ambien dinyatakan dalam (Xx) dalam satuan ppm, mg/m3 dan lainnya.

♦ Angka nyata Indeks Standar Pencemar Udara dinyatakan dalam

(I) ♦ Rumus yang digunakan dalam perhitungan adalah:

I =

dimana :

IA − IB XA − XB

( XX − XB ) + IB

I

= ISPU terhitung

IA

= ISPU batas atas


118


IB

= ISPU batas bawah

XA

= Ambien batas atas

XB

= Ambien batas bawah

XX

= Kadar ambien nyata hasil pengukuran

Hasil perhitungan selengkapnya dapat dilihat dalam tabel terlampir.

ANALISA 1. Partikel (PM 10)

Dari hasil perhitungan diperoleh hasil ISPU rata-rata untuk partikel (PM 10) adalah 49.08. Kategori udara secara umum adalah baik, karena harga ISPU kurang dari 50. Pada kondisi pukul 07.30 sampai 09.00 WIB, ISPU menunjukkan kategori tidak sehat karena harga ISPU lebih dari 100. Pada kondisi ini jarak pandang turun dan terjadi pengotoram debu dimana-mana. Tingkat udara semacam ini bersifat merugikan bagi manusia maupun hewan yang sensitif atau bisa menimbulkan kerusakkan pada tumbuhan dan nilai estetika. Ada juga beberapa kondisi yang menunjukkan kondisi udara dalam kategori sedang (ISPU dalam rentang 50 – 100). Dalam kondisi ini terjadi penurunan pada jarak pandang tetapi tidak berpengaruh pada kesehatan manusia atau hewan tetapi berpengaruh pada tumbuhan yang sensitif dan nilai estetika. Pada jam 07.30 – 09.00, partikel meningkat sampai kondisi tidak sehat (ISPU > 100) karena pada jam tersebut merupakan jam sibuk lalu lintas. Partikel-partikel ini berasal dari proses-proses mekanis seperti

erosi

angin,

penghancuran

dan

penyemprotan,

dan

pelindasan benda-benda oleh kendaraan atau pejalan kaki.


119


Pada

kondisi

sedang

sampai

kondisi

tidak

sehat,

partikel

menimbulkan pengaruh antara lain:

♦ Pada tumbuhan, partikel tersebut jika bergabung dengan uap air

atau hujan gerimis, membentuk kerak yang

tebal

pada

permukaan daun, dan tidak dapat tercuci dengan air hujan kecuali dengan menggosoknya. Lapisan ini akan mengganggu proses

fotosintesis

pada

tanaman

karena

menghambat

masuknya sinar matahari dan mencegah pertukaran CO 2 dengan atmosfer. Sehingga pertumbuhan terganggu terlebih lagi jika partikel tersebut mengandung komponen kimia yang berbahaya. ♦ Pada

manusia,

udara

pada

kondisi

tidak sehat-lah yang

mempengaruhi kesehatan manusia. Partikel yang masuk dan tertinggal di dalam paru-paru mungkin berbahaya antara lain karena: ∼

Partikel tersebut mungkin beracun karena sifat kimia

dan fisiknya. ∼

Partikel tersebut mungkin bersifat inert (tidak bereaksi)

tetapi jika tertinggal di dalam saluran pernafasan dapat mengganggu

pembersihan

bahan-bahan

lain

yang

berbahaya. ∼

Partikel tersebut mungkin dapat membawa molekul-

molekul gas yang berbahaya. ♦ Pada bahan lain, partikel dapat merangsang korosi, terutama

dengan adanya komponen yang mengandung sulfur. 2. SULFUR OKSIDA (SO2)

Kondisi udara dengan parameter SO2 dalam kondisi baik. Hal ini ditunjukan dengan harga ISPU rata-rata 2,86. Pada kondisi ini akan menyebabkan luka pada beberapa spesies tumbuhan akibat kombinasi O3 selama 4 jam. Tanaman bervariasi dari spesies ke PEMODELAN LINGKUNGAN

120


spesies dalam sensitivitasnya terhadap kerusakan SO 2. Meskipun dalam satu spesies, terjadi perbedaan sensitivitas yang disebabkan oleh kondisi lingkungan seperti suhu, air tanah, konsentrasi nutrien, dan

sebagainya.

Kerusakan

tanaman

ditandai

dengan

menguningnya warna daun karena terhambatnya mekanisme pembentukan klorofil. Kalau konsentrasi SO2 yang rendah sudah dapat merusakkan tanaman,

lain halnya dengan

menimbulkan

gangguan

konsentrasi SO2

terhadap

manusia

yang dapat

maupun

hewan.

Manusia dan hewan dapat terganggu oleh udara yang tercemar oleh gas SO2 yang konsentrasinya lebih tinggi. Jadi pada kondisi ini manusia dan hewan belum terpengaruh. 3. KARBON MONOKSIDA (CO)

Dari hasil perhitungan didapat nilai ISPU rata-rata sebesar 8.94 . Hali ini menunjukkan bahwa tingkat kualitas udara termasuk dalam kategori baik . Dimana tingkat kualitas udara tidak memberikan efek

begi

kesehatan

manusia

maupun

hewan

dan

tidak

berpengaruh pada tumbuhan,bangunan ataupun nilai estetika. Angka hasil perhitungan minimum adalah 1.4 sedangkan angka maksimum 40.2 . Nilai ISPU rata-rata untuk CO termasuk kecil dibandingkan nilai ISPU rata-rata paraneter yang lain . Hal ini berhubungan dengan mekanisne

alami

dari

penbersihan

CO

dari

udara

yang

kemungkinan terjadi disebabkan karena beberapa proses sebagai berikut: 1.

Reaksi

atmosfer

yeng

berjalan

sangat

lambat sehingga jumlah CO yang hilang sangat sedikit 2.

Aktivitas mikroorganisne yang terdapat di dalam tanah dapat menghilangkan CO dengan kecepatan relatif tinggi dari udara.


121


Berbagai mikroorganisme yang terdapat di dalam tanah dapat menghilangkan CO dari udara secara cepat. Meskipun tanah dengan

mikroorganisme

didalamnya

dapat

berfungsi

dalam

pembersihan CO di atmosfer, tetapi kenaikan konsentrasi CO di udara sering terjadi. Hal ini disebabkan tanah yang tersedia tidak tersebar merata, bahkan di daerah-daerah dimana produksi CO sangat tinggi kadang persediaan tanah sangat terbatas. 4. OZON (O3)

Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU) rata-rata untuk ozon (O3) dari hasil perhitungan termasuk kategori baik karena nilainya kurang dari 50, yaitu 17.41. Efek adanya O3 sama dengan yang ditimbulkan SO2, karena O3 yang berkombinasi dengan SO2 dalam jangka waktu yang panjang (±

4 jam) akan menimbulkan

kerusakkan pada beberapa spesies tumbuhan. Pengaruh ozon yang dapat

terlihat

langsung

pada

tanaman

adalah

terjadinya

pemucatan karena kematian sel-sel pada permukaan daun, dimana daun yang lebih tua lebih sensitif terhadap kerusakkan tersebut. Efek pada manusia atau hewan tidak dapat ditemukan pada konsentrasi ozon yang rendah. 5.

NITROGEN OKSIDA (NO & NO2)

Pada perhitungan ISPU diperoleh nilai rata-rata ISPU NO 52.18, sedangkan NO2 83.29. Hal ini menunjukkan bahwa udara dalam kondisi sedang. Pada kondisi ini Nitrogen oksida akan menimbulkan bau. Adanya NOx di atmosfer akan mengakibatkan kerusakan tanaman ,tetapi sukar ditentukan apakah kerusakan tersebut disebabkan langsung oleh NOx atau karena polutan sekunder yang diproduksi dalam siklus fotolitik NOx. Pengaruh gas Nox pada tanaman ditunjukkan dengan terjadinya bintik-bintik pada daun


122


sedangkan dengan konsentrasi yang lebih tinggi terjadi nekrosis atau kerusakan tenunan daun. Selain itu dapat menurunkan kecepatan fotosintesis daun sebanyak 60 – 70 %. Udara yang mengandung gas NO dalam batas normal relatif aman dan tidak berbahaya, kecuali bila gas NO berada dalam konsentrasi tinggi. Konsentrasi gas NO yang tinggi dapat menyebabkan gangguan pada sistem syaraf yang mengakibatkan kejang-kejang. Bila keracunan ini terus berlanjut akan dapat menyebabkan kelumpuhan. Gas NO akan menjadi lebih berbahaya apabila gas itu teroksidasi oleh oksigen sehingga menjadi gas NO2. Efek lain yang ditimbulkan yaitu timbulnya Peroxy Acetil Nitrates (PAN) yang menyebabkan iritasi pada mata (mata terasa pedih dan berair). Campuran PAN bersama senyawa kimia lainnya yang ada di udara dapat menyebabkan terjadinya kabut fotokimia atau photo chemistry smog yang sangat mengganggu lingkungan.

DAFTAR PUSTAKA



Fardiaz, Srikandi . 1992 . Polusi Air dan Udara . Kanisius : Yogyakarta .



Wardhana, Wisnu Arya . 1999 . Dampak Pencemaran Lingkungan . Andi Offset : Yogyakarta .


123



124

PEMODELAN LINGKUNGAN

Recommend Documents