PENCEMARAN TANAH (Kuliah minggu 3 sampai 7)

PENCEMARAN TANAH (Kuliah minggu 3 sampai 7)

Pendahuluan Sifat fisik (Review), sifat kimia, zat-‐kontaminan-‐hara Transport kontaminan: proses fisik, kimia dan biologi

Sumber referensi:

M.D. LaGrega, P.L. Buckingham, J.C. Evans: Hazardous waste management, McGraw-‐Hill InternaMonal EdiMons, 1994 V. Novotny and G. Chesters: Handbook of non-‐point polluMon, Van Nostrand Reinhold Co., 1981 S. Hardjowigeno: Ilmu tanah, PT Medyatama Sarana Perkasa, 1987 K.H. Tan: Dasar-‐dasar kimia tanah, Gajah Mada University Press, 1982 S. Sosrodarsono: Hidrologi untuk pengairan, Pradnya Paramita, 1978

Disiapkan oleh: Enri Damanhuri [email protected] Guru Besar pada Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan – ITB Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah

1

Rencana Kuliah (Minggu 3 sampai 7) •  12/9 dan 19/9: Satuan konsentrasi, komposisi tanah, proses reaksi, oksidasi dan reduksi dalam tanah, aspek kimia tanah serta prinsip-‐ prinsip yang berlaku dalam tanah. Reaksi asam basa, dan peluruhan. •  26/9 dan 3/10: Zat pencemar/kontaminan, sumber dan karakterisMk kontaminan, kontaminan anorganik, organik, mikrobiologis, materi radioakMf. •  10/10: Proses biologis dalam tanah, tanah sebagai ekosistem, peran mikroorganisme di lingkungan, metabolisme mikroorganisme, reaksi penMng Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

2

Tanah: pendahuluan (1) •  Terdapat dimana-‐mana, kepenMngannya berbeda •  Sebagai media tumbuhnya tanaman darat; •  Hasil pelapukan batuan, bercampur sisa-‐sisa bahan organik dari hewan-‐vegetasi;

•  Bahan penyusun: mineral, organik, air dan udara; terdapat pula mikroorganisme yang berkembang subur karena tersedianya makanan pada tanah;

•  Air dalam tanah: berasal dari hujan, ditahan, meresap dsb; •  Dalam proses pembentukannya: terbentuk lapisan-‐lapisan (horizon-‐horozon); à Definisi tanah: kumpulan benda alam di permukaan bumi, tersusun dalam horizon-‐horizon, terdiri dari campuran mineral, organik, air, dan udara; merupakan media untuk tumbuhnya tanaman. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

3

Tanah: pendahuluan (2) •  Lapisan atas pada lahan bukan sawah (% volume), umumnya: –  Mineral: 45% –  Organik: 5% –  Udara: 20-‐30% –  Air: 20-‐30 •  Bahan mineral berasal dari pelapukan batuan –  Batuan: •  Batuan beku (vulkanik) •  Batuan endapan (sedimen) •  Batuan metamorfosa –  Batuan vulkanik Indonesia: kaya unsur hara –  Batuan sedimen dan metamorfosa: diendapkan berjuta tahun, rendah unsur hara –  Batuan metamorfosa: terbentuk dari batuan beku atau sedimen, karena tekanan, temperatur sangat Mnggi berubah menjadi batuan lain. Misal marmer dari batu kapur karbonat, kwarsit dari batu pasir.

Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

4

Tanah: pendahuluan (3) Bahan organik pada tanah: •  Umumnya ditemukan di permukaan; •  Jumlah: kecil (3-‐5%), tetapi berpengaruh pada sifat tanah: –  Sebagai granulator: memperbaiki struktur tanah –  Sumber hara C, N, P dan S –  Menambah kemampuan menahan air –  Menambah kemampuan menahan unsur hara à kapasitar tukar kaMon menjadi lebih Mnggi –  Sumber energi bagi mikroorganisme •  Terdiri dari: organik kasar, dan organik halus (humus); •  Humus: senyawa yang resisten, warna hitam-‐coklat, daya simpan air Mnggi, berada pada lapisan atas (top soil – Horizon A), kapasitas tukar kaMon Mnggi; •  Kompos bersifat sebagai humus; •  Tanah gambut pada daerah rawa: tanah organik lebih dari 20-‐30%, tebal lebih dari 40cm. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

5

Tanah: pendahuluan (4) Air pada tanah: •  Terdapat dalam tanah karena ditahan (diserap), tertahan oleh lapisan kedap, atau karena drainase yang kurang baik; •  Berfungsi sebagai pelarut, dan pentransport unsur hara bagi tanaman, juga bahan pencemar dari luar •  Air ditahan tanah karena gaya-‐gaya adesi (tarik-‐menarik antara air dan tanah), kohesi (tarik-‐menarik anatar buMr air), dan gravitasi; •  Akibat gaya-‐gaya tsb. air dalam tanah dibedakan menjadi: o  Air higroskopik: air yang ada dalam tanah, tertahan secara kuat sehingga Mdak dapat diambil akar tanaman à adesi yang kuat; o  Air kapiler: air dalam tanah dengan daya kohesi dan daya adesi yang lebih kuat dari gaya gravitasi; air ini dapat bergerak ke samping atau ke atas karena gaya kapiler, sehingga dapat diserap oleh akar tanaman; o  Air yang bebas berada diantara buMr-‐buMr tanah. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

6

Tanah: pendahuluan (5) Air pada tanah (lanjutan): dikenal beberapa isMlah o 

o 

Kandungan air Field capacity: o  Jumlah air terbanyak yang ada (tanah lembab) yang dapat ditahan oleh tanah dari gaya gravitasi (keadaan alamiah); o  Air tersebut dapat menguap (evaporasi, evapotranspirasi) dan diserap oleh akar tanaman; o  Air tersebut tertahan sampai Wilting tegangan 1/3 bar WilMng point: o  bila air pada field capacity di atas terus menerus diserap oleh akar atau menguap, sampai akar Mdak dapat lagi mengambilnya. o  Air tersebut terjadi pada tegangan 15 bar Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

Saturasi

Field Capacity

Tanpa tanaman

Dengan tanaman Waktu

7

Tanah: pendahuluan (6) Air pada tanah (lanjutan): dikenal beberapa isMlah o  Air yang tersedian untuk akar tanaman = air pada kondisi field capacity – wilMng point. o  Kemampuan tanah menahan air dipengaruhi antara lain oleh tekstur-‐nya; tanah bertekstur kasar menahan air lebhih kecil dibanding yang bertekstur halus. pada tanah: Udara o  Udara mengisi pori-‐pori tanah, umumnya kurang dari 50% dari

volume tanah; o  Tanah tergenang air: semua pori-‐porinya terisi air; o  Susunan udara dalam tanah berbeda dengan di atmosfir: o  Kandungan upa air lebih Mnggi: tanah lembab mempunyai kelembaban nisbi, mendekaM 100% o  Kandungan CO2 lebih besar dari atmosfer o  Kandungan O2 lebih kecil dibanding atmosfer. Salah satu sebab karena biodegradasi bahan organik atau respirasi organisme hidup dalam tanah akan mengambil O2 dan melepaskan CO2. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

8

Tanah: sifat fisik (1) 1.  Profil tanah: –  Biasanya dibagi menjadi beberapa lapis, dikenal sebagai horizon:

Horizon O: organik, ‘bangkai’ tanaman Horizon A: mikroflora, akumulasi humus,

pelindian garam, nitrifikasi, adsorpsi. Pada layer ini sebagian besar pencemaran dan adsorspsi terjadi.

Horizon B: Pelindian dari atasnya tersimpan di sini, deposisi garam dan clay, permeabiliras rendah. Akar tanaman terbatas Mba di layer ini.

Horizon C: material induk penyusun batuan Horizon D: comsolidated rock


9

Tanah: sifat fisik (2) 1.  Profil tanah (lanjut): –  Bentuk topografi dari batas horizon atas dapat berupa: rata, berombak, Mdak teratur, terputus; 2.  Warna: petunjuk beberapa sifat tanah: o  Bagian permukaan: umumnya dipengaruhi oleh kandungan organik; makin Mnggi organik, makin gelap warnanya (abu-‐ abu). o  Lapisan bawah: kandungan organik rendah, warna dipengaruhi kandungan senyawa Fe. o  Daerah selalu tergenang air: warna abu-‐abu karena dominan Fe2+ o  Daerah dengan drainase baik: warna kuning-‐coklat karena dominasi Fe3+ seperM Fe2O3 (hemaMt, warna merah) atau Fe2O3. 3H2O (limonit, warna kuning-‐coklat);


10

Tanah: sifat fisik (3) 2.  Warna (lanjut): o  Bila kadang basah, kadang kering: disamping warna abu-‐ abu, di tempat udara dapat masuk, terdapat warna bercak merah-‐kuning, karena Fe2+ menjadi Fe3+ 4.  Tekstur: –  Terdiri dari buMr-‐buMr berbagai ukuran; tekstur menunjukkan kasar-‐halusnya tanah; –  Tanah berukuran lebih dari 2 mm = bahan kasar, yaitu kerikil (gravel: 2 – 15 mm) sampai batu. –  Tanah berukuran 2 mm atau kurang dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu sand (pasir), debu (silt) dan liat (clay): •  Sand (pasir): 0,075 -‐ 2,0 mm •  Silt (debu): 0,002 – 0,075 mm •  Clay (liat): kurang dari 0,002 mm (2µ) Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

11

Tanah: sifat fisik (4) 3.  Tekstur (lanjut): –  Versi USDA (US Dept of Agriculture) –  Versi USCS (Unified Soil Classifica7on System)

Sieve # 10

Sieve # 200

2 mm

0,075 mm


0,002 mm 12

Tanah: sifat fisik (5) 3.  Tekstur (lanjut): –  Berdasarkan kandungan sand, silt dan clay, tanah dikelompokkan menjadi: Kasar Agak kasar Sedang

Sand Loamy sand

Agak halus Halus

Sandy loam Sandy loam (fine) Sandy loam (very fine) Loam Silt loam Silt


Clay loam Sandy clay loam Silty clay loam Sandy clay Silty clay clay

Sand = pasir Loam = lempung Silt = debu Clay = liat

13

Tanah: sifat fisik (6) 3.  Tekstur (lanjut):

Klasifikasi berdasarkan USDA didasarkan atas analisa distribusi ukuran parMkel, membagi tanah atas sand, silt dan clay. Sand: bila paling Mdak terdapat 70% pasir Clay: bila paling Mdak terdapat 35% clay 6% clay Loam: bila keMga komponen tersebut berimbang

20% silt

74% sand 74% sand, 20% silt dan 6% clay = sandy loam


14

Tanah: sifat fisik (7) 4.  Struktur: –  Merupakan gumpalan kecil buMr-‐buMr tanah, mempunyai bentuk, ukuran, ketahanan (kemantapan) yang berbeda; –  Terjadi karena buMr-‐buMr sand, silt dan clay terikat satu sama lain oleh perekat organik, oksida besi, dsb; –  Bentuk: seperM lempeng, prisma, Mang, gumpal bersudut, gumpal membulat, granular, remah; –  Ukuran berbeda sesuai bentuk; –  Kemantapan: mudah hancur, agak sukar hancur, sukar hancur; –  Tanah Mdak berstruktur: bila Mdak melekat satu sama lain, atau saling melekat menjadi satuan yang masif; –  Tanah dengan struktur baik (granular, remah) mempunyai tata-‐udara yang baik, unsur hara mudah tersedia, mudah diolah. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

15

Tanah: sifat fisik (8)

5.  Konsistensi: –  Kekuatan kohesi atau adesi buMr tanah dengan benda lain; –  Tanah dengan konsistensi baik mudah diolah. –  Dalam keadaan kering: konsistensi lunak sampai keras; –  Dalam keadaan lembab: bisa dalam kondisi gembur (mudah diolah) sampai teguh (sulit dicangkul); –  Dalam keadaan basah: dibedakan dari sifat plasMsitasnya (plasMs sampai Mdak plasMs), dan kelekatannya (lekat sampai Mdak lekat) –  Konsistensi: bagian dari rheologi, ilmu yang mempelajari bentuk (deformaMon) dan aliran (flow) suatu benda; –  Sifat rheologi tanah: antara lain diukur dengan angka Aoerberg; –  Nilai Aoerberg: nilai (angka) kadar air tanah pada beberapa keadaan, digunakan sebagai dasar dalam ‘mengolah’ tanah tsb (contoh: liner, pelapis dasar landfill). Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

16

Tanah: sifat fisik (9) 5.  Konsistensi (lanjutan): –  Angka Aoerberg (%): •  Liquid limit (LL) atau batas mengalir: jumlah air terbanyak yang dapat ditahan tanah; bila air lebih banyak dari nilai tsb, tanah (bersama air) akan mengalir. •  Batas melekat: kadar air dimana tanah Mdak melekat pada benda lain. Bila kadar air lebih kecil dari nilai tsb, tanah Mdak melekat pada benda. Bila lebih Mnggi, tanah mudah melekat. •  Bila tanah yang telah mencapai batas mengalir atau batas melekat tersebut dapat dibentuk seperM gulungan yang Mdak patah saat digolek-‐golekkan, disebut tanah plasMs. •  PlasMc limit (PL) atau batas plasMs: kadar air dimana gulungan tsb bila digolek-‐golekkan akan pecah. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

17

Tanah: sifat fisik (10) 5.  Konsistensi (lanjutan): Angka Aoerberg (%) (lanjut): Penger
Batas mengalir (LL)

Indek pla<sitas (IP)

Jangka olah

Sangat rendah

< 20

0-‐5

1-‐3

Rendah

20-‐30

6-‐10

4-‐8

Sedang

31-‐45

11-‐17

9-‐15

Tinggi

46-‐70

18-‐30

16-‐25

Sangat Mnggi

71-‐100

31-‐43

26-‐40

Esktrim Mnggi

>100

>43

>40

Clay liner landfill yang dianggap baik bila berada pada posisi ‘rendah’ sampai ‘sedang’ Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

18

6.


7.


19


Particle density


20

Tanah: sifat fisik (13) 8.  Pori-‐pori (Porositas): •  Bagian tanah yang Mdak berisi padatan, tetapi terisi udara atau air •  Pori-‐pori makro: berisi udara atau air gravitasi •  Pori-‐pori mikro: berisi udara atau air kapiler •  Porositas (lanjut): Mpikal nilai porositas tanah (%) •  Kerikil (gravel) kasar = 28 •  Kerikil menengah = 32 •  Kerikil halus = 34 •  Pasir (sand) kasar = 39 •  Pasir menengah = 39 •  Pasir halus = 43 •  Silt = 46 •  Clay = 42 •  Limestone = 30


21

Tanah: sifat fisik (14) 9.  Potensi mengembang-‐mengerut: –  Beberapa tanah mempunyai sifat mengembang (bila basah) dan mengerut (bila kering) pada musim kering pecah, contoh tanah clay; –  Sifat ini disebabkan adanya kandungan mineral clay-‐ montmorillonit. –  Besaran pengembangan dan pengerut dinyatakan: •  Coefficient of linear extensibility –COLE (bidang ilmu tanah), atau •  PotenMal volume change-‐PVC (bidang engineering – geoteknik)


22

Darcy Experiments Henry Darcy : study of the movement of water through a porous medium Found that the rate of water flow is proporMonal to the difference height of the water between the two ends of the filter beds and inversely proporsional to the length of the flow path.

Hydraulic conductivity of earth material"

•  K hydraulic conductivity (L/T)! "A function of properties of both porous media and the fluid passing through it" " " " " q = Q/A, q= specific discharge"

Kaitan permeablitas liner (k) waktu tempuh pencemar Lahan Urug

Liner

Muka lindi

h = jarak muka lindi ke dasar landfill (m) L = ketebalan media (m) = tebal liner + tebal zone non-saturasi (m) p = porositas k = permeabilitas (m/det) t = waktu tempuh pencemar dari muka lindi ke muka air tanah (detik)

L2 x p t = -----------K (L + h)

Zone non-saturasi

Muka airtanah bebas

Misal: h=0 L = 0,75 m p = 0,4 k = 1 x 10 -9 m/det

Zone saturasi

Maka t = 0,3 x 109 detik = 3472 hari = 9,51 tahun Training TPA -‐ Januari 2012

25

LaMhan menghitung Kondisi landfill-‐1: •  Tanpa liner •  Kelulusan zone non-‐saturasi = 1x10-‐4cm/det •  Porositas = 0,4 •  Genangan lindi ke dasar = 1,0m •  Jarak dasar landfill ke muka air tanah = 2,00 m •  Hitung waktu tempuh pencemar ke muka-‐air tanah

Kondisi landfill-‐2: •  Liner clay 2 x 0,25 m, dengan kelulusan = 1 x 10-‐7cm/det •  Kelulusan zone non-‐saturasi = 1x10-‐4cm/det •  Porositas (clay dan zone non sturasi) = 0,4 •  Genangan lindi ke dasar = 1,0m •  Jarak dasar landfill ke muka air tanah = 2,00 m •  Hitung waktu tempuh pencemar ke muka-‐air tanah

Training TPA -‐ Januari 2012

26

Tanah: sifat kimia (1) 1.  Asam-‐basa (pH tanah): –  Pada tanah asam, jumlah ion H+ lebih Mnggi dibanding OH-‐ demikian; sebailknya. Di Indonesia, tanah umumnya mempunyai pH 4,0 -‐ 5,5. –  Di daerah rawa pH tanah < 3 , disebut tanah sulfat karena asam sulfat yang Mnggi; –  Di daerah arid (kering) pH tanah bisa mencapai 9, karena banyak mengandung garam Na. –  pH tanah banyak menentukan: •  Mudah Mdaknya unsur hara diserap akar tanaman. Kebanyakan unsur hara larut dalam air pada pH netral; •  Kemungkinan adanya unsur racun bagi tanaman (dan mahluk hidup lainnya); pada pH asam, unsur mikro, mineral, logam berat mudah larut pada air sehingga lebih mudah diakses oleh akar. Unsur-‐unsur tersebut menjadi racun bagi tanaman bila terlalu Mnggi. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

27

Tanah: sifat kimia (2) 2.  Koloid tanah: –  Bahan mineral dan organik yang sangat halus, umumnya bermuatan negaMf. Ion bermuatan posiMf (seperM logam berat) akan ditarik oleh koloid tsb, membentuk lapisan ganda ion (inonic double layer); –  Koloid tanah merupakan bagian tanah yang sangat akMf dalam reaksi kimia-‐fisika dalam tanah; –  Mineral liat: mineral berukuran kurang dari 2µ, tersusun oleh Al, Si dan O, dibedakan atas: •  Mineral liat Al-‐silikat: seperM kaolinit, haloisit, montmorillonit, ilit. Umumnya bermuatan negaMf, mempunyai kapasitas kaMon (KTK) Mnggi (> 4 me/100gr) •  Oksida-‐oksida Fe dan Al: seperM gibsit, goeMt, limonit. Umumnya bermuatan posiMf, bersifat amorf, mempunyai KTK rendah (< 4 me/100gr). –  Koloid organik, seperM humus, tersusun oleh C-‐H-‐O, disusun oleh asam fulvik, asam humik dan humin. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

28

Tanah: sifat kimia (3) 3.  Kapasitas tukar kaMon (KTK): –  Salah satu parameter kimia tanah yang penMng adalah Kapasaitas Tukar KaMon (KTK) atau CaMon Exchange Capacity (CEC), yaitu kemampuan tanah atau sedimen untuk menukarkan kaMon yang ada padanya dengan kaMon lain dari luar, misalnya berasal dari pencemar logam berat. –  Mineral (clay) tanah dapat melakukan penukaran kaMon: •  Clay bermuatan negaMf, mampu menarik kaMon (terjerap); •  Sebuah atom kaMon yang ada padanya, yang mempunyai jumlah atom dengan Mngkat oksidasi lebih kecil (misalnya Mg2+), dapat diganMkan oleh kaMon dari luar yang mempunyai atom dengan Mngkat oksidasi lebih Mnggi (misalnya Al+3). –  Material organik tanah: •  Walaupun pada dasarnya mempunyai muatan negaMf, tetapi dia mempunyai gugus karboksil dan gugus fenol yang akMf, sehingga mampu menarik kaMon; Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

29

Tanah: sifat kimia (4) 3.  Kapasitas tukar kaMon (lanjut): –  KaMon bermuatan posiMf seperM Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH+, H +, Al3+ terlarut dalam air tanah, atau terjerap (sorpsi) oleh koloid-‐koloid tanah; –  KaMon yang terjerap tsb sukar larut akibat air gravitasi, tetapi dapat diganM oleh kaMon lain dengan mekanisme penukaran kaMon tsb. –  Penentuan nilai KTK: •  Tanah atau sedimen (diketahui berat keringnya, gr) yang akan dievaluasi dilarutkan pada larutan garam amonium (diketahui volumenya), sehingga tanah tersebut bermuatan NH+; •  Lalu tukar ion NH+ tersebut dengan larutan Na+ (garam NaCl); •  Hitung banyaknya ion NH+ yang dapat ditukar oleh ion Na+ tsb, sehingga diperoleh nilai KTK-‐NH+ (me/100gr). Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

30

Tanah: sifat kimia (5) 3.  Kapasitas tukar kaMon (lanjut): –  Satuan KTK: mili-‐ekivalen yang dapat dijerap per-‐100 gr tanah (me/100gr): •  1 me H = 1 mg H (BA H = 1); •  1 me K = 39 mg K (BA K = 39); •  1 me Na = 23 mg (BA Na = 23, valensi 1); •  1 me Ca = 40/2 (BA Ca = 40, valensi 2); •  1 me Mg = 24/2 (BA Mg = 24/2, valensi 2). –  Konversi data me/100 gr ke ppm: Bila Ca = 21,5 me/100gr: à arMnya = (21 ,5*40/2)/100gr = 430mg/100gr = 4.300 mg/1.000.000 mg = 4.300 ppm.


31

Tanah: sifat kimia (4) 3.  Kapasitas tukar kaMon (KTK) lanjutan: –  Beberapa nilai CEC tanah (me/100gr): •  Material organik (humus) = 100 – 300 •  Mineral clay: •  Montmorilonit = 10 – 40 •  Illit = 10 – 40 •  Kaolinit = 3 -‐ 15 –  Nilai KTK dapat digunakan untuk berbagai keperluan, misal: •  Imobilisasi pencemar logam berat: tanah clay dengan KTK Mnggi (misalnya yang dilapiskan pada bagian bawah landfill) akan mampu menahan logam berat dari lindi yang melaluinya; •  Tanah dengan KTK Mnggi mampu menyerap dan menyediakan unsur hara bagi tanaman yang lebih baik daripada tanah dengan KTK rendah. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

32

Tanah: sifat kimia (5) 3.  Kapasitas tukar kaMon (lanjut): beberapa nilai (me/100gr) –  Humus= 100-‐300 –  Montmorilonit = 80-‐40 –  Ilit = 10-‐40 –  Kaolinit = 3-‐15 4.  Kapasita tukar anion (KTA): –  Disamping KTK, dalam tanah terdapat pula KTA, walau dalam jumlah jauh lebih sedikit dibanding KTK; –  Banyak dijumpai pada liat amorf, liat Al, dan Fe-‐oksida; –  Bila tanah banyak mengandung muatan posiMf: •  Terjadi penjerapan anion seperM NO3-‐, Cl-‐, dsb •  KaMon-‐kaMon Mdak terjerap, dan berada pada air tanah •  Tanah mempunyai daya fikasasi kuat pada P, maka ketersediaan P sangat rendah.


33

Bahan kontaminan (1) •  Migrasi atau transport kontaminan dari topsoil banyak ditentukan oleh komposisinya, dapat berupa parMkulat (terjerap oleh parMkel tanah), atau terlarut dalam air menuju air tanah; •  Tergantung pada kapasitas sorpsi dari tanah, akan terjadi keseimbangan sorpsi, apakah parMkulat kontaminan akatn tetap terjerap pada tanah, atau berada pada fase larutan. •  Banyak zat (nutrisi, organik, dsb) akan mengalami proses degradasi, volaMlisasi, dan penguraian kimiawi. Zat yang bertahan (persisten) dikenal sebagai zat konservaMf, dan mereka yang masanya berubah sesuai perjalan waktu, disebut non-‐konservaMf. •  Transport kontaminan di alam akan berlangsung dengan beragam cara dan mekanisme. Yang paling penMng adalah melalui air: sistem surface run-‐off, soil water, dan air tanah. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

34

Bahan kontaminan (2) Logam berat: •  Konsentrasi logam berat pada tanah alamiah biasanya rendah, dan bukan menjadi potensi pencemaran. •  Tetapi konsentrasi tsb berubah, karena intervensi manusia: –  Di daerah urban, khususnya dengan transportasi Mnggi. –  Di pertambangan (tailing, dsb) –  Di sekitar industri pemroses logam. –  Di sekitar dumping limbah, misal limbah B3, dumping sampah kota yang Mdak dipilah. •  Logam tsb dapat dibagi berdasarkan efek ekologinya: –  Logam biogenic: logam yang dibutuhkan bagi pertumbuhan mikroorganisme, misal Fe, Cu, Mg dan Al. Pada dasarnya alam mampu menangani efek ekologisnya. –  Logam non-‐biogenic: bisa menjadi toksik dalam ekosistem, khususnya bila kemampuan alamiah untuk menetralisirnya lebih rendah dari laju kumulasinya, seperM Hg, Pb, Cd, Cr. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

35

Bahan kontaminan (3) Logam berat (lanjut): •  Laju uptake tanaman tergantung kelarutan logam tsb dalam larutan tanah (air): –  Bahan yang secara mudah ter-‐immobilisasi, biasanya lebih Mdak berbahaya: Mn, Fe, Al, Cr, As, Pb. –  Bahan yang mudah larut, biasanya lebih berbahaya, sehingga mudah diserap akar: Cd, Cu, Mo, Ni, Zn. Kimia organik: •  Penggunaan bahan kimia organik (pesMsida) bersasaran meningkatkan rendemen (yield) tanaman, dan mengontrol hama tanaman; termasuk di sini: membunuh vektor penyakit seperM nyamuk. •  sudah terbukM: peningkatan yoeld tanaman berkorelasi dengan peningkatan penggunaan bahan pesMsida. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

36

Bahan kontaminan (4) Kimia organik (lanjut): •  PesMsida: insekMsida, herbisida, dan fungisida; •  InsekMsida: –  Mengontrol insek (ternasuk nyamuk) –  Jenis: organoklorin (DDT, dieldrin, aldrin, klordan, heptaklor, lindane), organofosfor, karbamat. –  Organofosfor dan karbamat: lebih Mdak persisten dibanding organoklorin. •  Lebih dari 40.000 jenis pesMsida telah diproduksi, diantaranya telah dilarang digunakan (termasuk DDT). Walau DDT sudah Mdak diproduksi dan sudah lama dilarang, keberadaannnya sudah menyebar ke seluruh dunia, karena terbawa air dan lautan. •  Jenis dan sifat residu pesMsida mencapai badan air banyak tergantung pada: –  Jumlah, laju aplikasi, lamanya digunakan –  Sifat persistensi dan waktu Mnggal bahan tsb. di badan air –  Mobilitas bahan tersebut. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

37

Bahan kontaminan (5) Kimia organik (lanjut): •  Fabrikasi DDT (1945) merupakan MMk balik penggunaan bahan kimia secara besar-‐besaran, diikuM dengan bahan kimia lain yang berbahan petroleum. •  Lebih dari 40.000 jenis pesMsida telah diproduksi, diantaranya telah dilarang digunakan (termasuk DDT). Walau DDT sudah Mdak diproduksi dan sudah lama dilarang, keberadaannnya sudah menyebar ke seluruh dunia, karena terbawa air dan lautan. •  Jenis dan sifat residu pesMsida mencapai badan air banyak tergantung pada: –  Jumlah, laju aplikasi, lamanya digunakan –  Sifat persistensi dan waktu Mnggal bahan tsb. di badan air –  Mobilitas bahan tersebut. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

38

Bahan kontaminan (6) Organik biodegradabel: •  Bahan organik: bagian integral dari tanah. Kandungannya bisa mencapai 40% (tanah organik). Sebagian besar dari tanah organik ini berada pada profil horizon O dan A. •  Kandungan organik dinyatakan sebagai % bahan organik, atau % karbon organik. Secara umum: % bahan organik = 1,67 % C-‐organik •  Organik tanah (humus) sebagian besar terjadi karena proses biodegradasi oleh mikroorganisme tanah. Humus kaya akan nutrisi, dan merupakan sumber makanan penMng bagi populasi mikroorganime tanah. •  Kesuburan tanah Mdak selalu idenMk dengan Mngginya organik tanah. Tanah organik yang mempunyai drainase buruk, dan kurang aerasi, mempunyai akMvitas penguraian yang kecil. Bila drainase diperbaiki, terjadi konversi organik, kesuburan akan meningkat. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

39

Sifat bahan kimia di lingkungan (1) •  Sifat kimia-‐fisik dari bahan kimia (dalam hal ini sebagai kontaminan) yang akan berinteaksi ke lingkungan penMng difahami: sifat bagaimana bahan kimia bergerak di lingkungan, dan bagaimana bahan tersebut mengalami perubahan; •  Beberapa sifat bahan kimia: kelarutan, tekanan uap, konstanta Henry, difusi, koefisien parMsi, faktor biokonsentrasi, sorpsi. Kelarutan: (lihat pelajaran Kimia sebelumnya) –  Bagaimana derajat sebuah bahan kimia (solut) larut dalam sebuah pelarut (solven); –  Kelarutan bahan tersebut dalam air tergantung: temperatur dan species bahan tsb. –  Dinyatakan sebagai mg/L atau ppm: 1 mg/L = 1 ppm dan 1 µg/L = 1 ppb Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

40

Sifat bahan kimia di lingkungan (2) Tekanan uap: –  Bila sebuah larutan berkontak dengan udara, mungkin sebagian molekulnya akan meninggalkan larutan tersebut sebagai uap; –  Keseimbangan akan terjadi bila laju molekul meninggalkan larutan adalah seimbang dengan laju molekul yang akan terlarutkan lagi; –  Biasanya diukur pada kondisi 1 atm; Konstanta Henry: –  Menyatakan kelarutan gas dalam sebuah larutan. Bila sebuah bahan kimia volaMl dilarutkan dalam air, sejumlah kecil bahan tersebut (dalam bentuk gas) akan terbentuk di udara di permukaan air; –  Pada keseimbangan: bila molekul bahan tersebut masuk dalam air, sejumlah ekivalen molekul dari bahan kimia tersebut akan meninggalkan air à menjadi fase uap; Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

41

Sifat bahan kimia di lingkungan (3) Konstanta Henry (lanjut): –  Hukum Henry: pada kondisi keseimbangan, tekanan parsial dari sebuah gas (kimia volaMl) di (atas) permukaan sebuah cairan akan proporsional dengan konsentrasi bahan kimia dalam larutan: Pg = H*CL Pg = tekanan parsial gas (atm) H = konstantan Henry (atm.m3/mol) CL = konsentrasi bahan kimia dalam larutan (fraksi mol) –  Selanjutnya: H = Cg/CL Cg = konsentrasi bahan kimia dalam fase gas (udara) CL = konsentrasi bahan kimia dalam fase cair (air) Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

42

Sifat bahan kimia di lingkungan (4) Koefisien difusi: –  Kontaminan di air dan di udara cenderung bergerak dari MMk dengan konsentrasi Mnggi ke MMk dengan konsentrasi rendah; –  Difusi: gerakan sebuah kontaminan di bawah pengaruh gradien konsentrasi; Koefisien par<si oktanol-‐water (Kow): –  Sifat hydrophobicity (menolak air) adalah penggerak utama fenomena sorpsi (penjerapan) à dinyatakan sebagai Kow; –  Nilai Kow diukur dengan analisa shake-‐flask: •  Sebuah labu flask mengandung n-‐oktanol dan air disiapkan; •  Labu tersebut kemudian digoyang-‐goyang sampai larutan yang satu menjadi jenuh pada larutan yang lainnya; •  Sebuah senyawa yang akan diukur kemudian dimasukkan ke dalam labu tersebut, dan digoyang-‐goyang kembali; •  Kedua fase lautan tersebut kemudian dipisahkan, konsentrasi Enri senyawa dianalisa. Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ 43 Pencemaran Tanah

Sifat bahan kimia di lingkungan (5) Koefisien par<si oktanol-‐water (lanjut): Kow = Co/C Co = konsentrasi pada oktanol (mg/L) C = konsentrasi pada air (mg/L) •  Koefisien tsb menilai bagaimana senyawa organik berparMsi antara fase organik dan air, nilainya = 10-‐3 sampai 108; data biasanya dinyatakan sebagai log Kow. •  Nilai tsb berguna untuk mengesMmasi fate transportasi kontaminan, hubungannya dengan adsorpsi tanah, faktor biokonversi (BCF) dan kelarutan air. •  Bahan kimia dengan Kow rendah (< 10) cenderung bersifat hydrofilik, dan mempunyai adsorpsi tanah dan BCF yang rendah. Koefisien par<si soil-‐water Kp = X/C X = konsentrasi pada tanah (ppb) C = konsentrasi pada air (ppb) Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ 44 Pencemaran Tanah

Sifat bahan kimia di lingkungan (5) Koefisien par<si oktanol-‐water (lanjut): Kow = Co/C Co = konsentrasi pada oktanol (mg/L) C = konsentrasi pada air (mg/L) •  Koefisien tsb menilai bagaimana senyawa organik berparMsi antara fase organik dan air, nilainya = 10-‐3 sampai 108; data biasanya dinyatakan sebagai log Kow. •  Nilai tsb berguna untuk mengesMmasi fate transportasi kontaminan, hubungannya dengan adsorpsi tanah, faktor biokonversi (BCF) dan kelarutan air. •  Bahan kimia dengan Kow rendah (< 10) cenderung bersifat hydrofilik, dan mempunyai adsorpsi tanah dan BCF yang rendah; Koefisien par<si soil-‐water Kp = X/C X = konsentrasi pada tanah (ppb) C = konsentrasi pada air (ppb) Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ 45 Pencemaran Tanah

Sifat bahan kimia di lingkungan (6) Koefisien par<si oktanol-‐water(lanjut): ⁻  Hampir seluruh adsorpsi bahan kimia organik oleh tanah terjadi karena kandungan karbon (C) organik; ⁻  Koefisien parMsi Carbon-‐organik KOC = Cc/C Cc = konsentrasi adsorbed (µg adsorbed/kgC-‐organik)=ppb C = konsentrasi pada air (mg/L) –  KOC : diesMmasi dengan: KOC = Kp/fOC fOC = fraksi C-‐organik dalam tanah (tanpa dimensi) Faktor biokonversi (BCF): –  BCF mengindikasikan jumlah bahan kimia yang terakumulasi pada organisme akuaMs: BCF = Corg/C Corg = konsentrasi pada mikrorganisme (mg/kg = ppm) Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

46

Transport kontaminan: proses fisik (1) Fase pencemar (kontaminan) atau zat pada tanah: •  Solute: kontaminan yang larut dalam air; •  Solven: air yang melarutkan – mengalirkan kontaminan diantara poripori tanah. •  Adveksi: pengangkutan kontaminan •  Slug: air dan zat (kontaminan) oleh solute; •  Difusi (secara molekuler): bergeraknya zat/kontaminan dari konsentrasi Mnggi ke rendah, walau tanpa aliran air; •  ‘ParMkel-‐parMkel’ air dari segala sisi mengalir pula melalui pori-‐pori tanah. Terjadi pencampuran dan mixing dengan solute; •  Dispersi (secara hidrodinamis atau mekanis): penyebaran solute ke segala arah; Kontaminan diangkut oleh mekanisme •  Dilusi (pengenceran): pencampuran adveksi (mungkin disertai difusi) lalu terdispersi, dan konsentrasinya berubah dengan air sekitar, menyebabkan penurunan konsentrasi solute. akibat mekanisme dilusi. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

47

Transport kontaminan: proses fisik (2) ConMnous point source

Sumber t1 Sumber t1 t2

t2

t3

One-‐Mme (slug) point source

t4

t3 t4

Migrasi PLUME Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

Arah Aliran air tanah 48

Variabel berpengaruh pada parMsi zat di tanah Transfer massa Uptake Penukaran ion Adsorpsi

Presipitasi Disolusi padatan

Konsentrasi logam berat dalam tanah -‐ air

Reduksi oksidasi (Redox)

Reaksi asam-‐basa

Reaksi biologis

Formasi kompleks


49

Transport kontaminan: non-‐idealized (1) •  Model yang biasa digunakan untuk aliran air tanah dan transpor kontaminan adalah untuk media berpori; •  Tetapi pada kenyataannya, terdapat media lain, seperM aliran pada media fraktur. Aliran kontaminan bukan melalui pori-‐pori, seolah aliran dalam pipa; •  Kondisi lokal dalam sub-‐surface juga berpengaruh pada kondisi ideal, khususnya terjadinya heterogenitas , misalnya bila dijumpai ‘lensa’ pada media tanah, yang mempunyai permeabilitas yang berbeda. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

50

Transport kontaminan: non-‐idealized (2) •  Pada kenyataannya di alam, selain proses dilusi di atas, pencemar akan mengalami transformasi melalui mekanisme mekanis, kimia, dan biologis; •  Akibatnya: laju transport pencemar akan berbeda dari kondisi ideal: –  Beberapa proses tersebut akan mengperlambat (retard); –  Beberapa proses lainnya mungkin malah mempercepat

Jenis proses

Proses

Mekanis -‐ Fisik

-‐  -‐  -‐  -‐  -‐  -‐ 

Adveksi Dispersi Difusi StraMfikasi densitas Aliran non-‐aqueous Aliran media fraktur

Kimia

-‐  -‐  -‐  -‐  -‐  -‐ 

Oksidas-‐reduksi Penukaran ion Kompleksasi Pengendapan Fase parMsi Sorpsi

Biologis

-‐  -‐  -‐  -‐ 

Degradasi aerobik Degradasi anaerobik Uptake biologis Metabolisme lain


51

Transport kontaminan: proses kimia-‐biologi (1) Proses

Klas kimia

Efek

Sorpsi

Organik

Retardasi

Presipitasi

Anorganik

Retardasi

Penukaran ion

Anorganik

Retardasi

Filtrasi

Organik/anorganik

Retardasi

Oksidas-‐reduksi Organik/anorganik

Transformasi/retardasi

Uptake biologi

Organik/anorganik

Retardasi

Biodegradasi

Organik

Transformasi

Hidrolisis

Organik

Transformasi

VolaMlisasi

Organik

Eliminasi

Dissolusi

Organik/anorganik

Percepatan mobilitas

Co-‐solvaMon

Organik


Ionisasi

Organik


Kompleksasi

Anorganik


Fase immiscible Organik


ParMMoning 52

Transport kontaminan: proses kimia-‐biologi (2) Sorpsi: proses berpindahnya kontaminan (sorbate) dari satu fase ke fase lainnya: Sorben: karbon akMf, tanah Sorbate: kontaminan Solven: air •  Penggerak terjadinya sorpsi adalah: tarikan listrik, gaya Van der Waal, ikatan kovale, dan ikatan hidrogen; •  Pada proses absorsi: sorbate ditarik pada sorben (fase sorbing). Contoh absorpsi: uptake kontaminan oleh mikroorganisme; •  ParMsi kontaminan antara solven (air) dan fase sorben: K = V1*f1/V2*f2 K = koefisien fase parMsi untuk solut spesifik V1, V2 = volume molar solven dan fase sorben f1 , f1 = koefisien akMvitassolven dan fase sorben. •  Adsorpsi: proses terjadi di permukaan, misalnya adsorpsi karbon akMf. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ 53 Pencemaran Tanah

Transport kontaminan: proses kimia-‐biologi (3) Sorpsi kontaminan: •  Banyank kontaminan konservaMf dan non-‐konservaMf tertahan (immobilized) oleh parMkel tanah, yang disebabkan mekanisme sorpsi, presipitasi, dan transformasi oleh tanaman dan bakteria menjadi organik yang less-‐mobile. •  Adsorpsi: proses fisika-‐kimia yang menahan molekul atau ion. •  Prsesipitasi: immobilisasi kontaminan akan tergantung pada kelarutannya. •  Secara matemaMs, keseimbangan sorpsi (iasotem) yang paling sering digunakan: –  Isoterm Langmuir –  Isoterm Freundlich –  Kedua model isoterm tsb. akan dibahas secara khusus dalam kuliah lanjut. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

54

Transport kontaminan: proses kimia-‐biologi (4) Decay, sublimasi dan transformasi: •  Tidak begitu berperan, tetapi perlu diperMmbangkan dalam penentuan neraca massa kontaminan dalam tanah. •  Dinyatakan sebagai first order:

"#/"% =−'"#−'(/)* #

Kd = koefisien laju decay, atau transformasi Ks = laju sublimasi atau stripping Dx = kedalaman zone teratas tanah. •  Laju decay bahan organik tergantung pada kandungan organik tanah. •  Tanah dengan pH Mnggi akan men-‐stripping amonia •  pH akan mengontrol laju nitrifikasi dari amonia pada tanah Plant uptake: •  Tanaman mengambil zat hara dan kontaminan yang merupakan kesatuan proses dengan respirasi. Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

55

Transport kontaminan: proses kimia-‐biologi (5) Plant uptake: •  Plant uptake: bentuk immobilisasi kontaminan dalam tanah. •  Tanaman mengambil zat hara dan kontaminan yang merupakan kesatuan proses dengan respirasi. •  Nutrisi (dan kontaminan) ditransporatsi ke sistem tanaman hanya dalam bentuk fase terlarut, atau bentuk ion. •  Bahan tersebut ter-‐adsorbsi pada parMkel tanah, atau ter-‐ presipitasi. •  Uptake Mnggi terjadi bila konsentrasi bahan tersebut Mnggi, dan Mdak (belum) tersedia pada tanaman. •  pH: kebanyakan logam berat toksik mempunyai kelarutan Mnggi pada pH rendah. Uptake juga tergantung pada jenis tanaman. •  Penggunaan tamanan sebagai uptake kontaminan, perlu kehaM-‐ haMan: apakah tanaman tsb akan manjadi rantai makanan, atau bagaimana penanganan tanaman tsb. kelak Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

56

Contoh sumber pencemar: leachate landfill

57

Contoh sumber pencemar: leachate landfill

58

Sumber – alur - reseptor Alur transport

Reseptor Sumber

Alur transport

59

Transport kontaminan: proses kimia-‐biologi (6)

–  Karakter immicible dari kontaminan, terkait dengan kelarutan dalam air; –  NAPL: nonaqueous phase liquid, kontaminan dengan kelarutan pada air yang sangat rendah

Zone Vadose

Akuifer

Akuifer

Akuitard

Zone Vadose

Akuitard

LNAPL: NAPL yang mempunyai DNAPL: NAPL yang mempunyai densitas lebih Mnggi dari air, densitas lebih rendah dari air, misal produk minyak petroleum misal solven berkhlor Enri Damanhuri -‐ FTSL ITB 2013 -‐ Pencemaran Tanah

60

PENCEMARAN TANAH (Kuliah minggu 3 sampai 7)

Recommend Documents