1. PENDAHULUAN
Air tanah merupakan salah satu sumber air minum yang penting, karena itu sangat perlu untuk dilindungi dari pencemaran. Untuk itu pengetahuan mengenai sumber pencemar dan mekanisme penyebaran pencemar adalah penting.
Di dalam polusi air tanah diasumsikan bahwa perpindahan masa terjadi di media pori dan porus. Masa itu sendiri berpindah di dalam cairan dalam keadaan jenuh dan tidak jenuh. Tracer atau massa akan menyebar dan menepati sebagian besar dari suatu aliran. Gejala ini dikenal sebagai dispersi hidrodinamik dan ini adalah unsteady dan prosesnya tidak bisa dibalik (berjalan hanya satu arah saja).
2. DISPERSI HIDRODINAMIK DARI POLUTAN
Berdasarkan pola pergerakannya dispersi hidrodinamik dari polutan dapat dibedakan atas :
– Dispersi mekanik
– Difusi molekul
– Solute bereaksi dengan matrix (retardasi)
2.1. Dispersi mekanik
Penyebaran terjadi dalam arah lateral maupun tranversal dari suatu aliran. Penyebaran ini disebabkan oleh variasi kecepatan pada tingkat mikroskopis di ruang antar pori.
Hal yang penting
– Arah aliran dan sistem pori saling berhubungan.
– Adanya ketidakhomogenan dari tingkat mikroskopis juga akan mengakibatkan adanya dispersi mekanik dari tracer.
Gambar 1 Penyebaran polutan di media berpori
2.2. Difusi molekul
Terjadi secara simultan dengan dengan dispersi mekanik. Difusi molekul terjadi sebagai akibat dari perbedaan konsentrasi dari tracer di cairan. Oleh sebab itu aliran tracer bergerak dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah.
Hal yang penting
– sangat penting pada kecepatan rendah, tetapi dapat diabaikan pada kecepatan tinggi
2.3. Phenomena lain
Phenomena lain yang bisa mempengaruhi konsentrasi adalah pada proses dispersi mekanik dan difusi adalah:
- Adanya reaksi kimia dan proses peluruhan radioaktif akan menyebabkan perubahan konsentrasi
- Tracer mempengarui sifat dari pelarut, densitas dan viskositas sehingga akan mempengaruhi pola aliran
- Adanya partikel yang bereaksi dengan permukaan dari matrik dalam bentuk adsorbsi tracer partikel pada permukaan padatan, membentuk pertukaran ion, deposisi dll.
2.4. Koefisen dari dispersi hidrodinamik (Dh)
Dhij = Dij + Dd*ij
Dispersi mekanik difusi molekul
Hal ini dapat dihubungkan dengan Pe (Peclet Number)
Pe ={LV/Dd}
dimana :
V = rata kecepatan aliran
L = panjang karakteristik dari pori
Dd= Koefisen difusi dari partikel pada fasa cair
Peclet number digunakan untuk mengukur dua phenomena (dispersi mekanik dan difusi) dari suatu dispersi hidrodinamik dari polutan. Pada kecepatan rendah (Peclet number juga rendah) difusi merupakan bagian utama dari dispersi, oleh karena itu Dh = Dd*. Pada keceptan tinggi (Peclet number besar), proses pencampuran mekanik merupakan faktor yang dominan sehingga Dh=D. Antara dua nilai yang ekstrem tersebut kondisi transisi adalah Dh = D +Dd*. Hubungan antara Peclet number dengan Dh/Dd* dinyatakan sebagai gambar berikut
Gambar 2 Hubungan antara Peclet number dan perbandingan antara koefisien longitudinal dispersi dengan koefisient difusi
2.5. DISPERSI MEKANIK
Pada medium yang mempunyai lubang-lubang pararel mempunyai tingkat kelikuan (tortuosity) nol dan dispersi mekanik menjadi nol. Mekanikal dispersi sangat tergantung pada
1. aL longitudinal dispersi dari media potus
2. aT Dispersi transversal dari media berpori.
Dengan menganggap medium isotropik, dimana rata-rata kecepatan yang uniform akan lurus sepanjang sumbu x1 dan aliran ke arah lain adalah nol maka
Dimana 11, 22 dan 33 (x1, X2 dan X3)adalah sumbu utama dispersi dan D11, D22 dan D33 adalah koefisient mekanikal dispersion pada sumbu utama dengan longitudinal komponen D11 dan Tranversal komponen D22 dan D33. Untuk kasus umum pada arah tiga dimensi Dij matrik diatas akan mempunyai populasi penuh.
Gambar 3 Penyebaran tracer pada arah longitudinal dan transversal a) Penyebaran longitudinal dengan tracer penuh b) Sumber tracer merupakan titik
Gambar 4 Koefisien dispersi pada arah longitudial dan transversal pada kecepatan yang berbeda
Penyebaran polutan pada aliran yang uniform pada arah x1 akan cenderung membentuk elipsoidal.
Gambar 5 Penyebaran tracer pada kondisi dua dimensi di media pasir isotropik a) Sumber tracer continu b) Sumber tracer tidak kontinu
Gambar 6 Dispersi longitudinal pada kolom pasir a) Kolom pasir dengan dengan sumber tracer yang kontinu b) Hubungan antara waktu dan relatif konsentrasi c) Relatif konsentrasi pada muka keluaran kolom pasir d) Profil konsentrasi di kolom pasir sebagai fungsi waktu
Gambar 7 Pengaruh K pada dispersi hydrodinamik a) Homogen layer b) Fingering layer c) Lensa pasir yang tidak beraturan
3. Difusi molekul
Koefisien dari difusi molekul dalam media porus Dd*
Dd*ij =DdT*ij
Dd = Koefisien difusi molekul pada phase cair
T*ij = Tingkat kelikuan ( tortuosity)
Dd* akan berbeda dari aliran makroskopik karena difusi pada media porus diekspresikan dengan hukum Fick’s.
3.1. TRACER YANG TIDAK REAKTIVE
Anggap suatu tracer yang tidak reaktif pada media porus yang homogen bentuk dari satu dimensi dari advection – dispersi adalah:
Dimana
= Koefisien dispersi hydrodinamik
C = Konsentrasi
l = Arah koordinat
t = Waktu
V1 = rata-rata kecepatan
Gambar 8 Penyebaran tracer pada dispersi mekanik dan difusi molekul pada kolom pasir
3.2. TRACER YANG REAKTIF
Dengan asumsi bahwa bereaksi dengan phase solid dari media porus sehingga diadsorbsi ke permukaan butiran. Pada sistem satu dimensi advection – dispersi
Dimana
= Kecepatan yang diadsorbsi
= Bulk density dari matrix
n = Porositas dari media porus
Jumlah yang diadsorb adalah fungsi dari konsetrasi. Bentuk umum dari isotherm adsobsi adalah persamaan Freudlich isotherm
S = KdCb
Dimana
S = massa yang diadsorbsi atau dipresipitasi /massa keseluruhan dari matrix porus,
C = konsentrasi dan K dan b konstan
Jika b = 1; adsorbsi isotherm adalah linier sehingga
Kd = dS/dC
Dimana
Kd = koefisien distribusi
Linier isotherm hanya valid untuk konsentrasi rendah dan reaksinya cepat serta bolak balik. Sehingga Kd (koefisien distribusi) dinyatakan sebagai
Kd = massa dari solute pada phase solid per unit massa dari phase padatan konsentrasi solute di dalam larutan
Dimana R (faktor retardasi)= dan nilainya >1
Gambar 9 Hubungan log-log dari persamaan Freundlich untuk adsorbsi
Gambar 10 Hubungan antara koefisien retardasi dengan penyebaran polutan
Gambar 11 Pengaruh densitas dari polutan pada aliran yang seragam a) sedikit lebih berat dari air b) dan c) jauh lebih besar dari air
4. Adsorbsi
Kd = koefisien distribusi
Kd = massa dari solute pada phase solid per unit massa dari phase padatan konsentrasi solute di dalam larutan
Cara menentukan nilai koefisien distribusi dalam adsorbsi dengan cara:
- Column eksperiment (harus dilakukan dengan hati-hati jangan sampai conto berubah dari kondisi reduksi menjadi oksidasi).
- Back analysis dari percobaan lapangan
5. Nilai Kd
Nilai dari Kd sangat bervariasi karena :
- Adanya perubahan yang sangat luas di daerah permukaan (jika ada) misalnya Eh, pH, temperatur dsb
- Kapasitas ion – exchange yang berbeda.
- Munculnya zat organik
Munculnya lempung
Lempung mempunyai Kd terbesar untuk larutan in organik tertentu, karena lempung mempunyai kapasitas ion-exchange yang besar. Kation akan lebih kuat di adsobsi daripada anion dan divalen kation akan lebih mudah diadsorb dari pada monovalent. Berikut kemampuan lempung dalam adsorbsi:
- Klorid tidak akan dilemahkan ketika melalui lapisan lempung
- Sodium (Na) akan sedikit dilemahkan
- Potassium (K), Amonia (NH4), Magnesium (Mg), Silica (Si) dan besi akan dilemahkan secara moderate
- Lead (Pb), Cadmium (Cd), Mercury (Hg), Zinc (Zn) akan diikat kuat oleh lempung.
Gambar 12 Hubungan antara konsentrasi dan kedalaman dibawah interface lempung/waste a) Cl, Na dan K b) Ca dan Mg c) Logam berat
6. Bahan organik
Bahan organik yang diadsorb oleh tanah dan air
Kd = KOC x % bahan organik di tanah
Dimana KOC = Koefisien kelarutan atau koefisien oktanol-water partition
Oleh sebab itu persamaan satu dimensi dari adveksi – dispersi dapat ditulis kembali sbb :
Rumus ini sama dengan adveksi – dispersi, disini perbedaannya persamaan sebelah kiri dibagi oleh R (faktor retardasi) sehingga:
Dimana V = Kecepatan rata-rata dari air tanah
Vc = Kecepatan pada titik
= mempunyai nilai antata 4 – 10 untuk medium berpori
Gambar 13 Pengaruh larutan yang teradsorbsi dan tidak teradsobsi pada kolom pasir
Untuk medium rekahan
Dengan menganggap bahwa medium rekahan sebagai plate yang pararel maka A = 2/e, dimana e adalah tebal rekahan, dengan demikian faktor retardasi untuk medium rekahan adalah :
Gambar 14 Efek difusi dari kontaminan di media rekahan yang porus a) Pergerakan yang uniform pada media rekahan yang nonporus b) Pergerakan yang dipengaruhi oleh difusi c) Difusi dan adsorbsi
7. KONSEP PERMEABILITAS DAN KONDUKTIFITAS HIDROLIK
Hukum darcy
V = -Ki
Dimana
i = gradient hidrolik = dh/dx
V= Kecepatan Darcy
K= Konduktifitas hidrolik
f = Presure head
m = Viskositas
k = Permeabilitas
Hal penting yang dapat ditarik dari persamaan diatas adalah :
- k merupakan sifat dari medium sementara K merupakan gabungan antara medium dan larutan.
- Dimensi dari k adalah L2 sementara K adalah LT-1
8. POROSITAS
1. Porositas primer (n).
Porositas primer disebabkan oleh ruang di dalam tanah atau batuan
n = Vv/Vt
dan porositas efektif adalah :
Vp = V/ne
dimana
Vp = kecepatan cairan di media porus
ne = porositas efektif
2. Porositas Sekunder (nf)
nf = Volume rekahan/total volume
9. KONSEP PERMEABILITAS DAN KONDUKTIFITAS HIDROLIK PADA
REKAHAN
Dengan menganggap bahwa rekahan merupakan suatu plate yang pararel maka:
Dimana
e = Lebar rekahan
D = Jarak antar rekahan
Berikut diberikan contoh pengaruh kecepatan fluida di daerah rekahan dibanding media porus
Media porus
K = 10-6 cm/dt dan ne = 0,15
Vp = V/ne = -Ki/ne
Media rekahan
K = Ke =10-6 cm/dt
nair = 1,005 x 10-6 m2/dt
e = 2,3 x 10-3 cm
D = 1 m
Sehingga didapat aliran ekivalen sebesar:
Vp D ne = Vf ne
Media porus media rekahan
sehingga didapat Vf » 6.500 Vp
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa :
- Aliran dalam rekahan dapat jauh lebih besar dibandingkan di media porus.
- Kontak permukaan di media rekahan kurang begitu penting dibandingkan dengan media berpori.
- Dispersi mekanik hanya terjadi pada level mikroskopis di media berpori sementara pada media rekahan pada level makroskopis.
Tabel 1 Perbandingan pergerakan kontaminan di media porus dan rekahan
Kondisi | Rekahan | Porus |
Kecepatan aliran (waktu transit) | sangat tinggi | rendah |
Daerah permukaan ( kemungkinan retardasi akibat adsorbsi dll) | rendah | tinggi |
Dispesi (dlm skala besar) | sangat rendah | tinggi |
Dilusi dan penyebaran | rendah | tinggi |
10. SUMBER POLUSI DAN STANDART AIR MINUM
Sumber polusi air tanah dapat berasal dari bermacam-macam sumber baik secara alamiah maupun akibat kegiatan manusia. Berikut sumber polusi yang sering terjadi disekeliling kita :
1. Lingkungan. Secara alamiah alam sendiri sering menimbulkan polusi akibat ketidak seimbangan lingkungan sebagai contoh:
– Air yang melarutkan padatan (menjadi air payau)
– Intrusi air laut.
Gambar 15 Proses penyebaran larutan di rekahan batuan
2. Domestik. Akibat adanya pertumbuhan penduduk dan aktifitas manusia secara sadar atau tidak sadar telah mengotori air tanah melalui :
– Saluran air kotor, tempat pembuangan kotoran
– Kontaminasi biologi (bakteri dan virus)
3. Industri. Dengan tidak adanya pengawasan yang ketat maka industri akan merupakan sumber polutan yang sangat berbahaya bagi air tanah yang terdiri atas
– Logam berat
– Buangan beracun (solvent)
– Material radioaktif
4. Pertanian. Sebagai negara agraris dan adanya intesifikasi pertanian, maka ketidak sadaran petani bisa menimbulkan polusi yang berasal dari :
– Pupuk, peptisida, herbisida
5. Pompa bensin dan Bengkel mobil. Kedua tempat ini merupakan sumber polutan yang potential untuk hidrocarbon dan Pb.
Polutan air tanah dapat dibedakan atas:
1. Polutan organik
Clorinated Hydrocarbon
Chloroform
Carbon tetrachloride
Trichloro Ethylene (TCE)
Poly Chlorinated Benzene (PCB)
Aromatic hydrocarbon
Benzene
Alkybenzene
Naphtalene
Halogeted Hydrocarbon
Bis ether
Tri Fluoromethyl Laniline
2. Polutan inorganik
Untuk mengetahui standart air minum berdasarkan US EPA (1975) dan Gol A diberikan pada tabel dibawah ini
11. DESAIN SISTEM PEMBUANGAN LIMBAH
11.1. Sistem pencegah kebocoran dari tempat pembuangan limbah
Agar tempat pembuangan limbah tidak mencemari air tanah, maka sekeliling limbah harus dibatasi dengan menggunakan :
1. Synthetic liner (Flexible membram liner/ FML)
LLDPE (linier low density polyethylene)
HDPE ( high density polyethylene)
CPE (chlorinated polyethylene)
CSPE (chlorsulfanatad PE hypalon)
PVC ( Polyvinyl chloride)
2. Liner dari alam (lempung )
Syntetic liner
Biasanya yang digunakan adalah double liner system. Metoda ini biasanya digunakan untuk land fill ataupun kolam. Istilah landfill disini digunakan untuk tempat penyimpanan permanen dari limbah padat atau cair. double liner system biasanya digunakan untuk: a) primary base liner b) secondary base liner dan c) untuk final cover jika tempat pembuangan limbah tersebut akan ditutup. Hal yang peting harus dilakukan bahwa lokasi limbah harus diatas muka air tanah.
Pemilihan dari FML
FML dapat digunakan secara individu atau digabung dengan lempung. Adapun parameter yang mempengaruhi adalah :
- Persyaratan umum : Waktu pemakaian, waktu penutupan, peraturan yang ada di daerah tersebut
- Sifat bahan limbah : tipe, komposisi, suhu, sifat kimia, pengaruh terhadap liner.
- Kondisi lapangan : air tanah, tanah, K, kedalaman
- Kondisi lingkungan : suhu, angin, curah hujan dan penyinaran matahari.
Liner alam
Liner alam bisa terbentuk karena dibuat oleh manusia atau terjadi secara alamiah:
1. Dibuat oleh manusia
Biasanya liner yang dibuat manusia dilakukan dengan cara membuat barrier hidrolik dan drain. Barrier hidrolik sendiri dapat berasal dari lempung atau geomembrane. Sedangkan drain dapat dilakukan dengan menggunakan pasir. gravel dan geosynthertic
Hidrolik konduktifitas, indek plastisitas dan kandungan lempung merupakan kunci karena :
- K akan turun jika PI naik dan jika PI < 40 % maka akan cenderung lemah
- Kandungan lempung sangat berguna pada tanah dengan kandungan lempung kurang dari 20 % dalam berat
Sehingga untuk alasan praktis lebih disukai menggunakan tanah dengan plastisitas rendah karena mudah dicampur, hydrate dan relatif homogen di alam.
2. Natural liner
Natural liner terbentuk karena kondisi alam yang memungkinkan terbentuknya aquitard atau aquiclude. Natual liner biasanya merupakan tanah lempungan sangat tebal, tidak ada rekahan dan kekar, tidak mengalami pelapukan.
Gambar 16 Contoh pemakaian double liner system
Gambar 17 Liner yang dibuat dengan kompaksi
Gambar 18 Natural liner
11.3. CARA MENETRALKAN KONTAMINAN
Berikut beberapa cara menetralkan kontaminan di daerah buangan limbah yaitu :
1. Treatment
Biasanya dilakukan untuk menetralkan kelebihan asam atau basa
limbah asam kapur
2H+ + Ca (OH)2 ® Ca 2+ + 2H2O
Limbah basa Asam sulphat
2OH– + H2 SO4 ® 2H2O + SO4-2
2. Proses oksidasi reduksi
Sebagai contoh oksidasi untuk pembuangan limbah cianida yang beracun menjadi kurang beracun
Buangan cianida oksidasi Cianate
CN– + O ® CNO–
3. Presipitasi
Bahan yang biasa dipakai adalah Ca(OH)2 untuk memindahkan logam berat dan anion
3Pb2+ + 2HCO3– + 2Ca(OH)2 ® 2PbCO3.Pb(OH)2 + 2Ca2+ + 2H2O
DAFTAR PUSTAKA
Davis, M.L dan Cornwell, P.A., 1991, Introduction to Environmental Engineering, McGraw Hill Bokk.
Domenico, P.A dan Schwartz, F., 1990, Physical and Chemical Hydrogeology, John Willey & Sons.
Fetter, P., 1986, Applied Hydrogeology, Merril Publishing Company.
Freeze, R.A dan Cherry, J.A., 1979, Ground water, Prentice Hall.
Sutamiharja, RTM, 1992, Tinjauan Tentang Baku Mutu Air, Kantor Menteri Negara Kependudukan dan Lingkungan Hidup.