pemodelan lingkungan
TRANSCRIPT
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
PEMODELAN REKAYASA
LINGKUNGAN
DISUSUN OLEH
SYAFRUDIN
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2003
PEMODELAN LINGKUNGAN 1
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
PEMODELAN LINGKUNGAN 1
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
BAB IPENGANTAR PEMODELAN LINGKUNGAN
1.1. SISTEM LINGKUNGAN
Pendefinisian sistem lingkungan dapat dilakukan dengan banyak
cara tergantung pada tujuan dari pendefinisan tersebut . Untuk
tujuan pemodelan lingkungan yang memiliki prinsip sebagai "
pendugaan dan perkiraan " digunakan dalam proses pengelolaan
lingkungan . Pengelolaan lingkungan itu sendiri adalah upaya
terpadu pemantauan , pengendalian, pengawasan dan perbaikan
unsur-unsur lingkungan lingkungan dari kemungkinan degradasi
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
pelestarian kemampuan lingkungan yang serasi dan seimbang
untuk menunjang pembangunan yang berkelanjutan bagi
peningkatan kesejahteraan manus.
Oleh karena itu sistem lingkungan dapat didefinisikan sebagai
obyek pengamatan berupa himpunan elemen-elemen alam baik
kimiawi, dan atau biologi yang sifat-sifatnya mengalami proses
perubahan dalam skala ruang dan waktu tertentu menurut hukum
alam yang berlaku.
Dari definisi diatas ada empat faktor yang dapat diidentifikasikan
dalam setiap sistem lingkungan yakni obyek, elemen , sifat dan
proses . Sebagai contoh Sistem Lingkungan dari Sungai Banjir
Kanal Barat atau Sungai Kaligarang :
PEMODELAN LINGKUNGAN 1
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 Model Sistem
PEMODELAN LINGKUNGAN 2
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Rawa Pening Kolam ikan
Sungai Kaligarang 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 matematik yang hasil penyelesaiannya
dinterpretasikan sebagai hasil pengamatan 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 :
= KB ……………………………………………….
(1.1)
Integrasikan persamaan (1) akan diperoleh :
ln = - Kt …………………………………………. (1.2)
untuk bilangan dasar e, atau
PEMODELAN LINGKUNGAN 3
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
log = - 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 :
…………………………………………………………
…(1.4)
keterangan : Y =besar timbulan rata-rata dalam satuan (liter/hari),
a1 =kontanta timbulan untuk faktor X1 (perkembangan
perkotaan) ,
a2 =kontanta timbulan untuk faktor X2 (Peningkatan
jumlah penduduk)
a3=kontanta timbulan untuk faktor X3 ( Tingkat
pendapatan masyarakat),
PEMODELAN LINGKUNGAN 4
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
- Sifat-sifat Fisika,Kimia dan Biologi
PEMODELAN LINGKUNGAN 5
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
1) Berciri " Waktu "
PEMODELAN LINGKUNGAN 6
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
adveksi -difusi, dilusi dan konveksi, bajet panas temperatur, tenaga
angin dan tenaga akselerasi cariolis.
PEMODELAN LINGKUNGAN 7
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
keduanya ) (2) aneka metoda penyelesaian lain ( statistik seperti
regresi ; numerik ; integrasi analitik dan sebagainya ).
7) Memiliki Status " Komputasi "
PEMODELAN LINGKUNGAN 8
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 9
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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"
PEMODELAN LINGKUNGAN 10
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 11
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
PEMODELAN LINGKUNGAN 12
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
- 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 13
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
……………………………………………………….
(1.5)
keterangan : X adalah vektor :
F adalah fungsi vektor :
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
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
dengan syarat awal …………..
(1.6)
keterangan :
X adalah vektor …………………..
)
F adalah fungsi vektor …………
)
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 15
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
deferensial aljabar ini adalah campuran antara bentuk sistem
persamaan aljabar dan sistem persamaan deferensial bersama .
Bentuk umumnya adalah sebagai berikut :
……………………………………………
(1.7)
dengan syarat awal :
keterangan : X adalah vektor …………………………….
G adalah fungsi Vektor …………………..
H adalah fungsi vektor …………………..
F adalah fungsi vektor……………………
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 :
PEMODELAN LINGKUNGAN 16
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
………………………………………….(1.8)
dengan syarat batas :
………………………………………
(1.9)
dan syarat awal
………………………………………………
(1.10)
keterangan : X adalah vektor koordinat ruang =
U adalah fungsi vektor …………………..…
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
urutan perhitungan /langkah demi langkah dari pemasukan data
PEMODELAN LINGKUNGAN 17
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
memadai , maka program komputasi hasil penyelesaiaan model
tersebut dapat disempurnakan untuk keperluan proses simulasi.
PEMODELAN LINGKUNGAN 18
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
bahan pencemar tersebut dan factor hidraulis dari badan air
penerima.
PEMODELAN LINGKUNGAN 19
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 pencemaran titik.
Contohnya adalah pembuangan air 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
urban run off, air limbah pertanian yang tidak dilengkapi dengan
saluran drainase dan air limbah erosi.
PEMODELAN LINGKUNGAN 20
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 21
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
GAMBAR 3.1 : KONSEP NERACA KESEIMBANGAN
Apabila suatu air sungai dengan debit Q1 mengandung unsur
pencemar sebesar C1, menerima air buangan (air limbah)
dengan debit Q2 dan mengandung unsur pencemar pencemar
sebanyak C2, maka konsentrasi campuran CO dari air buangan
adalah :
CO = --------------------------------------- (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
PEMODELAN LINGKUNGAN 22
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
No KELAS PERUNTUKKAN BADAN AIR/SUNGAI
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 :
PEMODELAN LINGKUNGAN 23
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
Lm = 2.6 U ---------------------------------- (3.2)
Sedangkan untuk titik pembuangan yang dilaksanakan di tengah
sungai modelnya adalah :
Lm = 1.3 U ---------------------------------- (3.3)
Keterangan :
Lm = jarak dari titik pencemaran ke zona
pengadukan sempurna, ft.
U = kecepatan air sungai r
ata-rata, fps
PEMODELAN LINGKUNGAN 24
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
= - 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 = CO, dimana CO diperoleh dari
persamaan (3.1).
PEMODELAN LINGKUNGAN 25
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Apabila debit air konstan, = 0, maka persamaan (3.4)
menjadi :
= - KC
Asumsikan luas penampang basah sungai tetap, dA/dx = 0,
maka :
U = - KC …………………………………. (3.5)
Pemecahan persamaan (3.5) dengan kondisi C = CO adalah :
C = CO exp. ……………………………….(3.6)
Apabila L = 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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 26
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
= KB ………………………………………………..
(3.9)
PEMODELAN LINGKUNGAN 27
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Integrasikan persamaan (3.9) akan diperoleh :
ln = - Kt …………………………………………
(3.10)
untuk bilangan dasar e, atau
log = - kt …………………………………………
(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 = (1 – e-Kx/u) = ((1 – e-Kt) ………………
(3.12)
Keterangan :
CD = , dan W = beban pencemaran
PEMODELAN LINGKUNGAN 28
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Notasi lainnya sama dengan notasi sebelumnya.
GAMBAR 3.4 :BEBAN GARIS
3.5. UNSUR KONSERVATIF
Unsur konservatif dengan konsentrasi CO 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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 29
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
Wh (106 Btu/hari) = P . l . Q . l (Of) .
atau
PEMODELAN LINGKUNGAN 30
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Wh (K cal/hari) = P . l . Q . l (Oc) . 103
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 = - kC ……………………………………… (3.14)
atau
U = - (T – Tb) = - Kr (T – Tb) …… (3.15)
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]
Kr = koefisien pertukaran (exchange coefficient),
hari-1
Keterangan :
Kr =
Pada jarak x = 0, maka T = TO (temperatur campuran).
PEMODELAN LINGKUNGAN 31
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Substitusikan parameter-parameter ini ke persamaan (3.15)
akan diperoleh :
T = (TO – Tb) exp. + Tb ………………………… (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 :
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 :
- = λ N ………………………………………(3.17)
Integrasikan menjadi :
PEMODELAN LINGKUNGAN 32
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Ln m= -λ t ……………………………….. (3.18)
= e -λt ………………………………………(3.19)
untuk bilangan dasar e, dan
= 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
= bagian atom radio aktif yang tinggal
(sisa)
1 - = 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 :
PEMODELAN LINGKUNGAN 33
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
½ = e-λ T atau ln2 = λ T
sehingga :
λ T = 0,693 …………………………………… (3.21)
Radioaktif dinyatakan dengan satuan Curie (Ci), 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 = x 106 x x
W = 3,785 x 103 Ci/hari
Bila Q dalam cfs, maka :
W = x x x
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 K1, dimana
besarnya K1 tergantung dari jenis zat organiknya sendiri. Zat
organic yang sulit terurai nilai K1 kecil sedangkan zat organic yang
mudah terurai nilai K1 besar. Konstanta K1 berkisar antara 0,08
sampai dengan 0,30. koefisien K1 dinamakan koefisien deoksigensi.
PEMODELAN LINGKUNGAN 34
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 H2S, 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.
GAMBAR 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 K2 dimana besarnya K2 tergantung dari
profil sungai dan besarnya turbulensi dari air sungai itu sendiri.
Koefisien K2 dinamakan koefisien reaerasi, yang nilainya antara
0,05 untuk kolam/sungai kecil sampai dengan 0,50 untuk sungai
besar dan turbulensinya tinggi. Koefisien reaerasi K2 ditentukan di
lapangan.
PEMODELAN LINGKUNGAN 35
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Laju deoksigenasi dinyatakan dengan :
= k1 (La – y ) …………………………………..
(3.22)
sedangkan laju reaerasi dinyatakan dengan :
= 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).
= K1 (La – y) – K2 D …………………………………… (3.24)
y = La (1 – 10-Kt) ………………………………. (3.25)
Substitusi persamaan (3.25) ke persamaan (3.24) diperoleh
= K1 [ La – La (1 – 10-K t ) ] - K2D …. (3.26)
Integrasi, dan selesaikan persamaan (3.26), menghasilkan
PEMODELAN LINGKUNGAN 36
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Dt = (10-Kt) + Da . 10-Kt……………….. (3.27)
Keterangan :
Dt = defisit oksigen terlarut pada setiap titik, pada
saat t hari, dalam mg/l
K1 = konstanta deoksigenasi, hari-1
K2 = konstanta reaerasi, hari-1
La = BOD ultimate campuran, mg/l
Da = defisit oksigen campuran, mg/l
K1, K2 dan La tergantung dari temperatur
K1(T) = K1(20)(1,047)T-20
K2(T) = K2(20)(1,016)T-20
T = nilai pada temperatur 20O C
LT = 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).
GAMBAR 3.8 : FENOMENA OKSIGEN TERLARUT DEFISIT
PEMODELAN LINGKUNGAN 37
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Yang perlu menjadi perhaian pada kurva ini adalah waktu kritis tc
dan defisit kritis DC. Waktu kritis adalah waktu dimana terjadi defisit
oksigen yang maksimum = DC.
Waktu kritis dinyatakan dengan :
tc = log …
(3.28)
Defisit kritis
DC = La 10-K1tc…………………………………………………………..….
(3.29)
Nilai K2 ditentukan berdasarkan pengukuran di lapangan.
Beberapa rumus empiris dalam menetapkan nilai K2 adalah :
a. O’Connor, Churchill, Langbein & Durum
K2 = C ………………………………….……………….
(3.30)
Keterangan :
U = kecepatan rata-rata aliran air (m/dtk)
H = kedalaman penetrasi sinar matahari, diukur
dengan Secchi Disk, m
c, n, m = konstanta
PEMODELAN LINGKUNGAN 38
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
TABEL 3.2 : KONSTANTA PENCEMARAN
Peneliti C m n
O’Connor 1,29 0,5 1,5
Churchill 5,0 1,0 5/3
Langbein &
Durum3,3 1,0 4/3
b. Water Pollution Control Federation
K2 = ……………………….
(3.31)
Keterangan :
B = lebar saluran, m
R = jari-jari hidraulis, m
R = ………………………………..
(3.32)
c. US Geological Survey
K2 = ------------------------------------- (3.33)
Notasi sama dengan model-model di atas
Contoh Soal :
Diketahui sebuah sungai terdapat input buangan yang telah
melalui proses pengolahan dengan metode aerasi dengan
gambaran sebagai berikut :
PEMODELAN LINGKUNGAN 39
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
A
A
Potongan A-A adalah : 30 m
50 m
Koefisien reaerasi ( 1 ) = 1,05
Koefisien deksigenasi i ( 2 ) = 1,02
Koefisien waktu penguraian :
K1 (20 ) = 0,23 hari –1 untuk reaerasi;
K2 (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 ?
Jawaban :
1. Untuk parameter “ Dissolved Oksigen “ (DO) dan T “
PEMODELAN LINGKUNGAN
BOD = 800 mg/l ; Q debit = 125 m3/detik ; DO = 6 mg/lT = 31 0C
BOD=20 mg/lDO = 8 mg/lT = 220CQ = 250 m3/detik
Baku Mutu Air untuk DO > 5,0 mg/l
40
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Pada suhu normal T = 250 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 “
Menghitung koefisien K1 dan K2 dengan
mentransformasikan untuk suhu 250 C yaitu :
Selanjutnya dengan menggunakan Metode Stretter Pelph
dicari harga : tc dan Dc .
Sesuai dengan baku mutu = Dc = 8,38 – 5,00 = 3,38 mg/l
Ini nilai DO baku mutu
PEMODELAN LINGKUNGAN 41
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
……………..(1)
…………………………………………..(2)
Dengan menggunakan metode pendekatan matematis “
trial and error “ untuk menyelesaikan persamaan ber “
anu dua buah “ yang belum diketahui yakni
Coba La (mg/l) tc (hari) Dc (mg/l)
1 100 0,770 7,03
2 50 0,727 3,56 La =47,4 mg/l
3 40 0,703 2,87 (ultimate BOD)
4 45 0,716 3,12 tc=0,722 hari
5 48 0,723 3,42 (waktu
mencapai
6 47 0,721 3,35 Defisit)
7 47,4 0,722 3,38
Sehingga dapat dihitung konsentrasi BOD campuran
maksimal yang diijinkan :
PEMODELAN LINGKUNGAN
Sesuai Dc yang diminta sehingga proses trial and error dihentikan dan harga pada baris ke tujuh yang berlaku
42
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Sedangkan konsentrasi BOD maksimal yang harus keluar
dari proses pengolahan adalah dihitung berdasarkan :
……………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 :
Selanjutnya untuk membuat diagram hubungan antara tc, Dt, dan
BOD digunakan persamaan sebagai berikut :
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 43
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 = -------------------------- (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 :
= W (t) – QC – KVC …………………… (3.35)
keterangan :
C = konsentrasi unsur yang ditinjau dalam
danau
PEMODELAN LINGKUNGAN 44
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
= v + C
= v , dimana = 0
Pada saat t = 0 maka C = CO, sehingga dengan demikian
persamaan (3.35) menjadi :
v + QC + KVC = Q(t) ………………………….
(3.36)
atau
v + K’C = W(t) ………………………………..
(3.37)
PEMODELAN LINGKUNGAN 45
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
+ = 0
dan pemecahan persamaan ini adalah :
C= CO exp.
= CO exp.
= CO exp. ………………………. (3.38)
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
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
konstan (atau pembebanan nol), maka persamaan
diferensialnya menjadi :
V + K’C = W U(t) ………………………………..
(3.39)
Keterangan :
K’ = koefisien laju penguraian dari unsur pencemar
yang baru
= pembebanan baru
Penyelesaian persamaan di atas menjadi :
CU = …………………………..
(3.40)
Atau
CU = ……………….
(3.41)
= ………………….….
(3.42)
Indeks u menyatakan “step response”
Apabila adalah konsentrasi keseombangan (konsentrasi
jenuh)
maka :
PEMODELAN LINGKUNGAN 47
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
……………………… (3.43)
Untuk unsur konservatif K = 0 sehingga konsentrasi
keseimbangannya adalah :
= ………………………………………….. (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 :
C =
………………………………………………………………………….
(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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 48
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
GAMBAR 3.9 : 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 = W1 – QC1 + E’12 (C2 – C1) – V1K1C1……………
(3.46)
V2 = W2 + E’12 (C1 – C2) – V2K2C2……………………
(3.47)
dimana E’12 adalah koefisien pencampuran vertikal yang
dinyatakan dengan :
PEMODELAN LINGKUNGAN 49
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
E’12 = ………………………………………….
(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 H2 > 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 masing-
masing adalah tingginya zona epilimnion dan hipolimnion.
Penyelesaian persamaan (3.46) dan (3.47) pada keadaan
tunak menghasilkan :
(Q + E12’ + V1K1) C1 + (-E12’) C2 = W1 …………………….
(3.49)
(-E12’) C1 + (E12’ + V2K2) C2 = W2 …………….……
(3.50)
atau dalam bentuk matriks dapat ditulis sebagai berikut :
…………………………………
(3.51)
Keterangan :
a11 = Q + E’12 + V1K1
a12 = -E’12
a21 = -E’12
PEMODELAN LINGKUNGAN 50
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
a22 = E’12 + V2K2
Dengan demikian konsentrasi unsur pencemar di zona
epilimnion dan hipolimnion masing-masing adalah :
C1 = ………………………
(3.52)
C2 = β …………………………………….
(3.53)
Keterangan :
β = ………………………………………..
(3.54)
Contoh Soal:
Jika suatu danau , kemasukkan beban limbah sebesar (W1) sebesar 1000
lb/day dan pada danau itu pula terdapat masukkan debit dari sungai
sekitarnya sebesar Q = 40 cfs dan beban sedimen sebesar W2 = 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 = k1 – k2 = 0,2 hari-1 . Ditanyakan konsentrasi
lapisan (1) dan lapisan (2) atau nilai C1 dan C2 .
PEMODELAN LINGKUNGAN 51
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Jawab : W1 = 1000 lb/day
H1 =4 ft Q=40cfs E 1
2
H2 = 6ft
W2 = 100 lb/day
Luas danau = A = 1 x 106 ft2 ; Koefisien Vertikal Dispersi =(E12 = 0,1
cm2/sec
Koefisien laju penguraian k = k1 = k2 = 0,2/hari
Dari data yang diketahui H1 H2 maka Z12’ = (H1 +H2 )/ 2
Z12’ = (4+6 )/ 2 = 5 ft bila 1 ft = 30,48 cm, maka
Kemudian dilakukan pencarian volume lapisan epilimniom dan hipoliminiom
sebagai mana berikut :
PEMODELAN LINGKUNGAN 52
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Mencari harga dengan menggunakan rumus :
Mencari konsentrasi lapisan permukaan (1) dan (2)
dimana 1 mg/l = 5,4 lb/hari .
PEMODELAN LINGKUNGAN 53
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
td =99,1 th td=22,6 th
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)
dan
Konsentrasi maksimum di Waduk 1 adalah C10 = 270 ug/l sehingga :
PEMODELAN LINGKUNGAN
1 2
54
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
mengingat sisa konsentrasi waduk yang diinginkan adalah C1 =
270/2 =135 ug/l. Selanjutnya dicari nilai t dengan menggunakan rumus
berikut :
hingga
sehingga nilai t dapat dicari dengan
t untuk waduk (1) = 68,9 th
WADUK (2)
Sehingga nilai C2 dapat dicari.
C2 = C21 +C22
Dengan menggunakan hubungan C2 dan t dan cara trial and error maka
diperoleh :
C2 maksimum =62 ug/l pada t = 26 tahun sehingga :
PEMODELAN LINGKUNGAN 55
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
C2 = 62/2 = 31 ug/l pada t = 120 tahun.
Bila digambarkan dalam sketsa gambar tanpa skala sebagaimana berikut :
C2 = 62 ug/l
47 ug/l C21
C2 =31 ug/l
C22
26 tahun 120 tahun
PEMODELAN LINGKUNGAN
Washout dari waduk (1)
Washout dari waduk (2)
56
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
BAB IVPENCEMARAN 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.
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 57
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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 medium untuk bergeraknya zat-zat misalnya zat
Pencemar 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 58
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 berubah-
ubah 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,
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 59
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 60
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
Horizon B = merupakan bagian tanah yang belum
mengalami pelapukan secara sempurna tetapi telah
mengandung unsur -unsur dari luar misalnya zat organik.
Biasanya batas A dan B tidak jelas yang terbagi atas dasar
visualisasi warna misalnya.
Horizon C = tanah asli yang belum melapuk atau sedikit
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
Komponen anorganik tanah terdiri atas fragmen batuan dan
mineral dalam berbagai ukuran dan komposisi. Komposisi utama
dari fragmen batuan umumnya terdiri atas mineral silika dan
oksida. Dengan ukuran yang berbeda , ukuran tersebut dapat
digolongkan menjadi menjadi 3 kerlompok utama yakni fraksi
PEMODELAN LINGKUNGAN 61
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
pasiran ( fraksi kasar) , fraksi sangat halus ( debu dan silt) dan
fraksi lempung ( liat ).
Mineral silikat yang merupakan mineral utama dari kulit bumi dapat
digolongkan beradasrkan susunan tetrahedra SiO4 dalam
strukturnya menjadi enam tipe yaitu ( Tan,1992) :
Inosilikat,
Nesosilikat,
Filosilikat,
Sorosilikat,
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
umumnya didominasi oleh filosilikat. Filosilikat ini merupakan
mineral lempung dengan struktur lembaran tetrahedra Si204 .
Mineral-mineral tersebut diatas dengan struktur mineral silikat
mempunyai ikatan yang kuat dibandingkan dengan struktur yang
lain . Hal ini bisa dilihat dari energi pembentukannya yang relatif
besar yaitu antara 3110 - 3140 kg kal/mol, bila dibandingkan
misalnya dengan mineral yang berbentuk jaringan dengan energi
pembentukannya yang hanya sekitar 1800 kg kal/mol . Mineral
dengan kation K+ atau Na+ bahkan mempunyai energi
pembentukan yang lebih rendah lagi yaitu sekitar 300 kg kal / mol.
Selain terbentuk dari mineral silikat diatas , fraksi lempung juga
dapat terbentuk oleh oksida hidrous besi dan alumunium serta
kation lain yang termasuk dalam struktur mineralnya seperti Ca+ ,
PEMODELAN LINGKUNGAN 62
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Mg2+ dan K+ .Fraksi ini tidak termasuk dalam filosilikat , tetapi
merupakan oksida besi dan alumunium yang mengandung air yang
bearasosiasi dengannya .
Fraksi lempung mempunyai peran dalam menunjang terjadinya
proses antara komponen tanah dengan zat pencemar . Hal ini
disebabkan lempung mermpunyai permukaan yang berbeda
dibandingkan dengan mineral atau butir mineral dari fraksi yang
lebih besar . Lempung yang umumnya terbentuk oleh kristal
mineral , mengandung anion oksigen dan hidroksil yang terikat
dengan kation alumunium dan silikon. Dengan demikian pada sisi-
sisi dari kristal tersebut , ikatan yang terbuka dari anion atau
kation tersebut membentuk permukaaan yang mungkin reaktif.
Oleh karena sifatnya yang penting 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 mineral tersebut juga akan menentukan karakter atau
reaktifitas dari mineral . Hal ini disebabkan karena adanya proses
subtitusi kation yang dinamakan proses subtitusi isomorfik yatitu
proses subtitusi kation dengan kation lain tanpa merubah susunan
kristalnya sering terjadi.
a. Lempung dan Strukturnya .
Lempung terutama terdiri dari kristal alumunium atau magnesium
silikat dengan struktur lembar tetrahedra silikat , T, yang mengapit
atau saling bersusunan dengan lembar okatahedral O misalnya
lapisan gipsite untuk alumunium . Lapisan Tetrahedral merupakan
susunan ataom silikon yang masing-masing dikelilingi oleh 4 atom
oksigen tetrahedral ( Lihat Gambar 2 ) .
PEMODELAN LINGKUNGAN 63
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
O2
Si
O2
O2
O2
Gambar-2 : Diagram Lapisan Tetrahedral
Sementara lapisan oktahedral ini terdiri dari 2 lembar yang
terbentuk dari ataom oksigen atau hidroksil dalam susunan
hexagonal dengan atom alumunium atau magnesium pada lokasi
oktahedral atau bidang diagonalnya .
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-
PEMODELAN LINGKUNGAN
O2
O2O2
O2
O2
O2
O2
64
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 65
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Lempung dari kelompok kaolinit ini mempunyai sifat mengembang
atau mengerut yang kecil dan sulit dihancurkan (stabil). Hal ini
disebabkan oleh kekokohan ikatan struktural dari mineralnya .
Selain itu lempung kelompok ini mempunyai luas permukaan
spesifik yang sempit sekitar 7 sampai dengan 30 m2/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.
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 m2/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
PEMODELAN LINGKUNGAN 66
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 67
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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 air tanah , maka perlu terlebih
dahulu dipahami teori dasar 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 68
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 terlarut
( Pencemar) ini melalui media berpori adalah rumit. 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.
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 (aktifitas kimia ) ke daerah dengan
konsentrasi rendah. Proses diffusi adalah proses
pencampuran antara pencemar dengan air tanah secara
molekuler . Proses ini disebabkan oleh adanya perbedaan
konsentrasi antara dua cairan yang yang memiliki
konsentrasi berbeda. Proses melalui air dapat dijelaskan
dengan hukum Fick I yang menjelaskan fluk suatu zat
terlarut pada kondisi mantap (Fetter, 1988) :
PEMODELAN LINGKUNGAN 69
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
…………………………………………….(4.1)
Keterangan :
F = fluks massa zat terlarut persatuan luas persatuan
waktu,
d = Koefisien difusi ( luas / waktu)
C = Konsentrasi zat terlarut ( massa / volume)
dC/dx = gradien konsentrasi ( massa/volume/ jarak)
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) :
…………………………………………. (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
PEMODELAN LINGKUNGAN 70
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
menghambat atau menutup jalur. Untuk memperhitungkan
ini harus dipakai suatu koefisien difusi effektif ( d* ) yang
dapat dihitung :
……………………………………………..…(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
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) :
…………………………………………………….(4.4)
Keterangan :
Vx = Keepatan linier rata-rata ( kecepatan pori )
cm/detik,,
PEMODELAN LINGKUNGAN 71
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
k = Konduktifitas hidrolik ( cm/detik)
= Porositas effektif
dh/dl = gradien hidrolik
Bahan Pencemar yang mengalami adveksi berpindah
dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan rata-rata
linier air tanah.
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 72
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
……………………………………………….(3.5)
Keterangan :
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 :
……………………………………………….(3.6)
Keterangan :
DL = Koeffisien dispersi longitudinal,
aL = Dispersivitas dinamis,
Vx = Kecepatan linier rata-rata air tanah,
d* = 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 (aL )
adalah fungsi yang berkaitan dengan skala artinya semakin
luas daerah pengukurannya akan semakin besar harganya.
Sejumlah harga di lapangan , untuk dispersivitas longitudinal
PEMODELAN LINGKUNGAN 73
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
dispersiivitas longitudinal aL bisa dipilih kira-kira 0,1 panjang
lintasan aliran.Dalam materaial homogen , dispersivitas
longitudinalnya konstan pada harga 3 ft ( 1 m) atau kurang
pada jarak kira 164 ft dari sumber.
Akibat dispersi hidrodinamis , konsentrasi zat akan menurun
bila jarak bertambah besar. Zat terlarutnya akan menyebar
lebih banyak pada arah aliran air tanah bila dibandingkan
dengan penyebaran para arah tegak lurus terhadap arah aliran.
Oleh karena dispersivitas longitudinal 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 memperlambat pergerakan zat terlarut sehingga
kecepatan perpindahannya tidak sebesar 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.
Proses kimia ini sebetulnya tidak dapat dipisahkan degan
kondisi kimia tanahnya . Oleh karena itu yang berakitan dengan
keberadaan Pencemar dalam tanah adalah masalah adsorpsi
PEMODELAN LINGKUNGAN 74
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
dan pertukaran kation . Fenomena jerapan ( adsorpsi) dan
pertukaran ion dikemukakan pertama kali oleh Thomas Way
( 1852).
A. Kapasitas Tukar Kation (KTK)
Kapasitas Tukar Kation (KTK) suatu tanah dapat dikatakan suatu
kemampuan kolod tanah menjerap dan mempertukarkan kation
yang dinyatakan dalam milliekuivalen per 100 gram ( Tan,
1982)
Sedangkan adsorpsi terjadi sebagai hasil dari penarikan ion
positif oleh ion negatif yang ada pada permukaan mineral
lempung, alumunium hidroksida , besi oksida dan lain-lain. KTK
sebetulnya sekaligus merupakan pentujnjukk terhadap
kemampuan tanah untuk mengadsorpsi ion-ion positifdari air
limbah ( seperti logam beranya.
Menurut penelitian diketahui bahwa lapisan tanah dengan
kandungan lempung dan organik tinggi memiliki adsorpsi yang
sangat besar dibandingkan tanah pasir. Meskipun demikian
jenis lempung yang terkandung dalam tanah juga
mempengaruhi kapasitar penjerapan.
Kenyataan KTK dari berbagai tanah sangat beragam , bahkan
tanah sejenispun berbeda KTKnya . Besarnya KTK tanah
diupengaruhi oleh sifat dan ciri tanah itu sendiri antara lain
adalah ( Hakim dkk, 1986) :
1. Reaksi tanah atau pH,
2. Tekstur tanah atau jumlah liat,
3. Jenis mineral liat,
4. Bahan organiknya.
PEMODELAN LINGKUNGAN 75
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Kapasitas tukar kation untuk berbagai tanah di Indonesia
dapat dilihat sebagaimana tabel dibawah ini :
Tabel -1 : Kapasitas Tukar Kation beberapa Tanah di
Indonesia Yang bearagam telksturnya
( Soepardi,1979)
N
o
Tanah asal Klas Tekstur Kapasitas Tukar
Kation
(meq/100gram)
1 Ciletuk Lempung berdebu 8,1
2 Pengubuan
(lempung)
Lempung Liat
berdebu
22,9
3 Rentang Barat Liat berdebu 38,8
4 Glapan Sipadi Lempung liat
berdebu
51,2
Sumber : Hakim, N dkk , Dasar-Dasar Ilmu Tanah ( 1986)
Tabel -2 : Kapasitas Tukar Kation beberapa Mineral
Tanah liat ( Coleman and Thomas,1967)
No Mineral Liat Kapasitas Tukar Kation
(meq/100gram)
1 Ilit (muskovit0 37
2 Hidrobiovit 80
3 Montmorillonit 100
4 Kaolinit 5
5 Haloysit 5
Sumber : Hakim, N dkk , Dasar-Dasar Ilmu Tanah ( 1986)
PEMODELAN LINGKUNGAN 76
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
B. Adsorpsi Tanah
Adsorpsi adalah proses dimana atom,partikel atau molekul suatu
zat terikat pada pemukaan zat padat karena adanya gaya tarik
menarik dari atom atau molekul pada lapisan bagian luar atau
permukaanzat padat ( Tan,1982 ). Partikel,atom atau molekul yang
ditarik disebut adsorbat (fasa teradsorpsi),sedangkan zat yang
menariknya disebut adsorben.
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 dalam keadaan setimbang pada suhu
tertentu.Berbagai bentuk isoterm telah dikembangkan untuk
menyatakan hubungan ini.
1.Isoterm Adsorpsi Linier
PEMODELAN LINGKUNGAN 77
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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) :
PEMODELAN LINGKUNGAN 78
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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 :
………………………………..…(4.10)
Keterangan :
Sm = konsentrasi maksimum zat yang terserap dalam fase
padat (mg/kg);
B = konstanta kesetimbangan Langmuir.
PEMODELAN LINGKUNGAN 79
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 80
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar -4 di bawah ini.
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 81
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Gambar -5 : Penyebaran Kecepatan Maksimum
3. Distribusi kecepatan pada fluktuasi arus yang berhubungan dengan aliran rata - rata.
Gambar-6 : Distribusi Kecepatan pada Fluktuasi Arus
Ketiga aksi mekanis tersebut terjadi secara serentak dan
menghasilkan penyebaran mekanis.
PEMODELAN LINGKUNGAN 82
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 83
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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 :
PEMODELAN LINGKUNGAN 84
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Gambar-8 : Analisis Satu Dimensi Dari Pergerakan Pencemar Dalam
Aquifer Air Tanah.Sumber : Wood,Eric.F, GroundWater Contaminatio From Hazardous Waste , Prentice
Hall,Inc , Englewood Cliffs, New Jersey 1984 Hal 419.
Berdasarkan konsep kesetimbangan massa dapat diturunkan
persamaan aplikatif yang dapat digunakan untuk memprediksi
konsentrasi pencemar non reaktif pada media homogen dalam
suatu aquifer :
…………………………(4.11)
Keterangan :
C = Konsentrasi pencemar pada jarak X (g/m3);
Co=Konsentrasi mula-mula pencemar (g/m3);
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 85
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
PEMODELAN LINGKUNGAN 86
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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 :
…………………………………………………………………..(4.12)
PEMODELAN LINGKUNGAN 87
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
……………………………………………………………….(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 ]
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.
………………………………………………………………….(4.14)
Keterangan :
V = kecepatan aliran [ L T-1]
d = diameter rata - rata butir media [ L]
= densitas zat cair [ M L-3]
= 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'.
PEMODELAN LINGKUNGAN 88
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
Tabel-3 : Koefisien Permeabilitas dari Berbagai Jenis Tanah.
Jenis Tanah Permeabilitas [ cm/dt ]
KerikilPasir kasarPasir bercampur tanah liatPasir halusPasir berlumpurLempung berpasirTanah organik terdekomposisi sedangTanah organik terdekomposisi baikLumpurLempung / tanah liat
11 - 0.01
0.01 - 0.050.05 - 0.001
0.02 - 0.00010.005 - 0.0030.006 - 0.002
0.008 - 0.00020.0005 - 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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 89
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 :
………………………………
……..(4.15)
Keterangan :
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 [ L2 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 :
……………………………………………….(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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 90
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 cm2/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 cm2/dt
- 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 :
DL = 1.8 NR 1.205
DT = 0.11 NR0.7
Keterangan :
= viskositas kinematik aliran zat cair
NR = Bilangan Reynold
PEMODELAN LINGKUNGAN 91
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
D50%= ukuran rata - rata partikel
Persamaan itu jika diturunkan secara diferensial maka didapatkan
persamaan error function complementary sebagai berikut :
…………………………………………………(4.17)
Keterangan :
Co = konsentrasi pencemar pada titik sumbernya
Ct = konsentrasi pencemar pada waktu tempuh t
X = jarak tempuh pencemar
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 :
maka
Dengan pertolongan Tabel 5 error function, maka didapatkan harga X.
Tabel 5 : Harga Error Function X
X Erf X X Erf X
PEMODELAN LINGKUNGAN 92
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0
0.00000.22270.42840.60390.74210.84270.91030.95230.97630.98910.9953
2.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0
0.95530.99810.99930.99980.99991.00001.00001.00001.00001.00001.0000
Sumber : Erwin Kreyszig, Advanced Engineering Mathematics
Contoh Perhitungan Perjalanan Pencemar
Misal akan dihitung sampai sejauh berapa suatu " Pencemar Besi "
dari sumber pencemar yang masuk kedalam air tanah bersama-
sama 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 ; D90% = 1,000 mm ; Porosity tanah = 39%
dan koeffisien uniformity = 1,17
Bila temperatur 270C maka diperoleh = 0,8554 x 10-2 cm2 /detik .
Dengan menggunakan cara matematis dan rumus-rumus umum
tersebut maka dilakukan perhitungan sebagai berikut :
PEMODELAN LINGKUNGAN 93
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
0,07273 =1/2 erfc X maka erfc X = 0,14546
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
[ 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 108 )
784 t2 - 2.8218 x 108 t + 25 x 1012 = 0
PEMODELAN LINGKUNGAN 94
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
t1 = 202283 detik = 56.19 jam
t2 = 157640 detik = 43.79 jam
Setelah di check ke persamaan
Maka t yang memenuhi persyaratan adalah t = 43.79 jam.
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 ) Ct/Co Ct (mg/l)
00.250.501.001.502.253.004.005.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.00
02.18954.37908.758013.137019.705526.274035.032043.790052.548070.064087.5800105.0960122.6120140.1280157.6440175.1600192.6760
10.3668000.3152000.2486000.2000000.1540000.1190000.0860000.0640000.0470000.268000.0158000.0093000.0052000.0033000.0019000.0012000.000720
550201.740173.360136.730110.00087.70065.45047.30035.26025.85014.7408.6905.1202.8601.8201.0450.6600.396
PEMODELAN LINGKUNGAN 95
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
24.0026.0028.0030.0032.0035.0038.30
210.1920227.7080245.2240262.7400280.2560306.5300335.4310
0.0004200.0002600.0001400.0000860.0000640.0000330.0
0.2310.1430.0770.0470.0350.0180.0
Sumber : Hasil Perhitungan, 1999
Dari hasil perhitungan dapat diperoleh berbagai sebagaimana
berikut :
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 96
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 ,baik untuk kebutuhan
domestik maupun untuk kebutuhan energi (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
PEMODELAN LINGKUNGAN 97
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 98
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 sinar seperti seperti halnya
molekul-molekul dan menyebabkan refraksi. Partikel yang
berukuran jauh lebih besar dari 1 mikron mempengaruhi partikel
atmosfer terhadap radiasi dan visibilitas solar energi.
Sumber Polusi Partikel
Sumber polusi partikel berasal diantaranya dari proses alami
seperti letusan volcano dan hembusan debu serta tanah dan angin.
Aktivitas manusia juga berperan dalam penyebaran partikel
misalnya dalam bentuk partikel-partikel debu dan asbes dari bahan
bangunan, abu terbang dari proses peleburan baja dan asap dari
proses pembakaran tidak sempurna, terutama dari abtu 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
tersebut jika bergabung dengan uap air atau air hujan gerimis
membentuk kerak yang tebal pada permukaan daun dan tidak
dapat tercuci denagn air hujan kecuali denagn menggosoknya.
Lapisan kerak tersebut akan mengganggu proses fotosintesis pada
tanaman dan menghambat masuknya sinar matahari dan
mencegah pertukaran CO2 dengan atmosfer.
PEMODELAN LINGKUNGAN 99
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Pengaruh Partikel Terhadap Manusia
Polutan partikel masuk ke dalam tubuh manusia terutama
melalui sistem pernafasan, oleh karena itu pengaruh yang
merugikan langsung terutama terjadi pada sistem pernafasan.
Faktor yang paling berpengaruh terhadap sistem pernafasan
terutama adalah ukuran partikel karena ukuran partikel yang
menentukan seberapa jauh penetrasi partikel ke dalam sistem
pernafasan.
Partikel-partikel yang masuk dan tertinggal di dalam paru-
paru mungkin berbahaya bagi kesehatan karena tiga hal penting
yaitu :
1. partikel tersebut mungkin beracun karena sifat kimia atau
sifat fisiknya
2. partikel tersebut mungkin bersifat inert ( tidak bereaksi )
tetapi jika tertinggal dalam saluran pernafasan dapat
menggagu pembersihan bahan-bahan lain yang berbahaya.
3. partikel-partikel tersebut mungkin dapat membawa molekul –
molekul gas yang berbahaya baik denagn cara mengabsorbsi
atau mengadsorbsi, sehingga molekul-molekul gas tersebut
dapat mencapai dan tertinggal di bagian paru-paru yang
sensitif.
Pengaruh Partikel Terhadap Benda Lain
Partikel-partikel yang terdapat diudara dapat menyebabkan
berbagai kerusakan pada berbagai bahan. Jenis dan tingkat
kerusakan yang dihasilkan oleh partikel dipengaruhi oleh komposisi
kimia dan sifat fisik bahan tersebut.
Partikel dapat merangsang korosi terutama denagn adanya
komponen yang mengandung sulfur. Polutan partikel juga dapat
merusak bangunan yang terbuat dari tanah, cat dan tekstil.
PEMODELAN LINGKUNGAN 100
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Pengaruh Partikel Terhadap Radiasi Solar dan Iklim
Partikel yang terdapat dalam atmosfer berpengaruh terhadap
jumlah dan jenis radiasi solar yang dapat mencapai permuakan
bumi. Penyebabnya adalah penyebaran dan absorbsi sinar oleh
partikel. Salah satu pengaruhnya adalah penurunan visibilitas.
Partikel juga dapat mempengaruhi iklim pada waktu pembentukan
awan, hujan maupun salju.
Kontrol Terhadap Emisi Partikel
Teknik untuk mengontrol emisi partikel semua didasarkan
pada penangkapan partikel sebelum dilepaskan ke atmosfer.
Metode yang digunakan untuk mencapai tujuan tersebut
dipengaruhi oleh ukuran partikel. Beberapa alat yang digunakan
untuk mencapai tujuan tersebut diantaranya sistem ruang
pengendapan gravitasi, kolektor siklon, penggosok/sikat basah dan
presipitor elektrostatik.
5.2.2 SULFUR OKSIDA
Polusi oleh sulfur oksida terutama disebabkan oleh dua
komponen gas yang tidak berwarna yaitu sulfur diokside ( SO2 ) dan
sulfur trioksida ( SO3 ), dan keduanya disebut sebagai SOx. sulfur
diokside mempunyai karakteristik bau yang tajam dan tidak
terbakar diudara, sedangkan sulfur triokside merupakan komponen
yang reaktif.
Mekanisme pembentukan Sox dapat dituliskan dalam dua
tahap reaksi sebagai berikut :
S + O2 SO2
2SO2 + O2 2SO3
So3 bisanya diproduksi dalam jumlah kecil selama
pembakaran. Hal ini disebabkan 2dua faktor yang menyangkut
PEMODELAN LINGKUNGAN 101
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
reaksi diatas. Faktor pertama adalah kecepatan reaksi yang terjadi
dan faktor kedua adalah konsentrasi SO3 dalam campuran
ekuilibrium yang dihasilkan dari reaksi tersebut. Reaksi
pembentukan SO3 berlangsung sangaat lambat pada suhu relatif
rendah, tetapi kecepatan reaksi meninhgkat denagan kenaikan
suhu. Produksi SO3 terhambat pada zona pembakaran suhu tinggi
karena kondisi ekuilibrium. Jika produk dijauhkan dari zona tersebut
dan didinginkan, kondisi ekuilibrium dapat tercapai, tetapi
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 , SO3 dan air akan segera bergabung
membentuk droplet asam sulfat ( H2SO4 ) dengan reaksi sebagai
berikut :
SO3 + H2O H2SO4
Oleh karena itu komponen yang normal terdapat di dalam atmosfer
bukan SO3 melainkan H2SO4. Tetapi jumlah H2SO4 atmosfer ternyata
lebih tinggi dripada yang dihasilkan dari emisi SO3, hal ini
menunjukkan bahwa produksi H2SO4 juga berasal dari mekanisme-
mekanisme 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,
PEMODELAN LINGKUNGAN 102
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 SOx yang kedua adalah proses-proses industri
seperti industri pemurnian petroleum, industri asam sulfat, industri
peleburan baja dan sebagainya.
Pengaruh Sulfur Okside Terhadap Lingkungan
Pengaruh SOx terhadap tanaman
Kerusakan tanaman oleh SO2 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 SOx terhadap manusia adalah iritasi
sisitem pernafasan, penelitian menunjukkan bahwa iritasi
tenggorokan terjadi pada konsentrasi 5 ppm atau lebih, bahkan
PEMODELAN LINGKUNGAN 103
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
Kerusakan akibat polutan SO2 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 SOx 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 104
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
yang cukup tinggi dalam bentuk CaSo4 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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 105
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 106
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 CO2 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 O2 terdapat bersama-sama di udara akan
terbentuk COHb dalam jumlah jauh lebih banyak daripada O2Hb.
Faktor terpenting yang menentukan pengaruh CO terhadap
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 reaktor sistem ekshaust sehingga proses
pembakaran berlangsung sempurna dan polutan yang
berbahaya diubah menjadi polutan yang lebih aman.
PEMODELAN LINGKUNGAN 107
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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 NO2 adalah ozon ( O3
) 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 NO2
disebut smog fotokimia, yaitu terdiri dari kumpulan O3, 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 108
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 109
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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 NOx karena oksida
nitrogen mempunyai 2 macam bentuk yang sifatnya berbeda, yaitu
gas NO2 dan gas NO. Sifat gas NO2 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 110
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
yang menunjang kehidupan manusia akan menambah kadar NOx
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 NOx 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:
NO2 + sinar matahari NO + O
O + O2 O3 (ozon )
O3 + NO 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 NO2 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 O2 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 NO + O
PEMODELAN LINGKUNGAN 111
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
2. O + O2 O3 (ozon )
3. O3 + NO NO2 + O2
b. pembentukan asam nitrat :
4. O3 + NO2 NO3 + O2
5. NO3 + NO2 + H2O 2 HNO3
6. NO + NO2 + H2O 2 HNO2
7. HNO2+ sinar matahari NO + OH
c. pembentukan aldehida dan radikal peroxy :
8. CO + OH + O2 CO2 + H2O
9. HO2 + NO NO2 + OH
10. HC + O R* + RO*
11. HC + O3 l RO2* + m RCHO
12. HC + OH n RO2* + o RCHO
13. HC + RO2 p RO2* + q RCHO
d. 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 :
1. Sebelum matahari terbit, konsentrasi NO dan NO2 tetap
stabil pada konsentrasi sedikit lebih tinggi dari konsentrasi
minimum sehari-hari.
PEMODELAN LINGKUNGAN 112
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 NO2 meningkat karena perubahan
NO primer menjadi NO2 sekunder. Konsentrasi NO2 pada saat ini
dapat mencapai 0.5 ppm.
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.
6. Energi matahari tidak tersedia untuk mengubah NO
menjadi NO2 ( melalui reaksi hidrokarbon ), tetapi O3 yang
terkumpul sepanjang hari akan bereaksi dengan NO. Akibatnya
terjadi kenaikan konsentrasi NO2 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 113
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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 NO2. Beberapa polutan sekunder
diketahui bersifat sangat merusak tanaman. Percobaan dengan
cara fumigasi tanam-tanaman dengan NOx 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.
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 normal segera setelah pemberian NO dihentikan.
Perlakuan tersebut tidak menyebabkan timbulnya 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 6-
7 menit, tetapi jika kemudian diberi udara segar akan sembuh
PEMODELAN LINGKUNGAN 114
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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 NOx yang
dihasilkan, dan metode lainnya adalah cara untuk menghilangkan
NOx dari gas pembuangan. Dalam hal ini perlu diperhatikan faktor-
faktor yang mempengaruhi pembentukan NOx 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 115
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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 NOx. 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 NOx 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 NOx dari kendaraan bermotor.
Pada sistem tersebut, suatu katalis pengoksidasi dibutuhkan untuk
mengubah CO dan hidrokarbon menjadi CO2dan air, sedangkan
katalis pereduksi dibutuhkan untuk mengubah NOx 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 116
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
lebih efektif digunakan, terutama jika air tersebut mengandung
komponen alkali atau asam sulfat. Sistem yang telah
dikembangkan dapat menghilangkan NO2 dan sulfur okside
sekaligus.
5.5 CONTOH MODEL
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)
PEMODELAN LINGKUNGAN 117
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
Rumus yang digunakan dalam perhitungan adalah:
dimana : I = ISPU terhitung
IA = ISPU batas atas
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
PEMODELAN LINGKUNGAN 118
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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 CO2 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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 119
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
spesies dalam sensitivitasnya terhadap kerusakan SO2. 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 konsentrasi SO2 yang dapat
menimbulkan gangguan terhadap manusia 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
PEMODELAN LINGKUNGAN 120
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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.
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)
PEMODELAN LINGKUNGAN 121
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
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
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.
PEMODELAN LINGKUNGAN 122
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
DAFTAR PUSTAKA
Fardiaz, Srikandi . 1992 . Polusi Air dan Udara . Kanisius :
Yogyakarta .
Wardhana, Wisnu Arya . 1999 . Dampak Pencemaran
Lingkungan .
Andi Offset : Yogyakarta .
PEMODELAN LINGKUNGAN 123
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
LAMPIRAN
PEMODELAN LINGKUNGAN 124
BAHAN MATERI KULIAH PEMODELAN LINGKUNGAN
PEMODELAN LINGKUNGAN 125