Polusi Geologi Air Tanah

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:

1. Adanya reaksi kimia dan proses peluruhan radioaktif akan menyebabkan perubahan konsentrasi
2. Tracer mempengarui sifat dari pelarut, densitas dan viskositas sehingga akan mempengaruhi pola aliran
3. 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)

Dh_ij = D_ij + 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. a_L longitudinal dispersi dari media potus

2. a_T 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 D_ij 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 D_d*

D_d*_ij =D_dT*_ij

D_d = Koefisien difusi molekul pada phase cair

T*_ij = Tingkat kelikuan ( tortuosity)

D_d* 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 = K_dC^b

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

K_d = 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

K_d = 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

K_d = koefisien distribusi

K_d = 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:

1. Column eksperiment (harus dilakukan dengan hati-hati jangan sampai conto berubah dari kondisi reduksi menjadi oksidasi).
2. Back analysis dari percobaan lapangan

5. Nilai K_d

Nilai dari K_d sangat bervariasi karena :

1. Adanya perubahan yang sangat luas di daerah permukaan (jika ada) misalnya Eh, pH, temperatur dsb
2. Kapasitas ion – exchange yang berbeda.
3. 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:

1. Klorid tidak akan dilemahkan ketika melalui lapisan lempung
2. Sodium (Na) akan sedikit dilemahkan
3. Potassium (K), Amonia (NH₄), Magnesium (Mg), Silica (Si) dan besi akan dilemahkan secara moderate
4. 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

K_d = K_OC x % bahan organik di tanah

Dimana K_OC = 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

V_c = 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 :

1. k merupakan sifat dari medium sementara K merupakan gabungan antara medium dan larutan.
2. 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 = V_v/V_t

dan porositas efektif adalah :

V_p = V/n_e

dimana

V_p = kecepatan cairan di media porus

n_e = porositas efektif

2. Porositas Sekunder (n_f)

n_f = 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 n_e = 0,15

Vp = V/n_e = -Ki/n_e

Media rekahan

K = Ke =10^-6 cm/dt

n_air = 1,005 x 10^-6 m²/dt

e = 2,3 x 10^-3 cm

D = 1 m

Sehingga didapat aliran ekivalen sebesar:

Vp D n_e = Vf n_e

Media porus media rekahan

sehingga didapat Vf » 6.500 Vp

Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa :

1. Aliran dalam rekahan dapat jauh lebih besar dibandingkan di media porus.
2. Kontak permukaan di media rekahan kurang begitu penting dibandingkan dengan media berpori.
3. 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 :

1. Persyaratan umum : Waktu pemakaian, waktu penutupan, peraturan yang ada di daerah tersebut
2. Sifat bahan limbah : tipe, komposisi, suhu, sifat kimia, pengaruh terhadap liner.
3. Kondisi lapangan : air tanah, tanah, K, kedalaman
4. 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 :

1. K akan turun jika PI naik dan jika PI < 40 % maka akan cenderung lemah
2. 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.