Pengolahan – pemrosesan...

PENCEMARAN TANAH

Bahan kontaminan di lingkungan Sifat bahan kimia di lingkungan

Transport kontaminan: proses fisik, kimia dan biologi

Sumber referensi:

M.D. LaGrega, P.L. Buckingham, J.C. Evans: Hazardous waste management, McGraw-Hill International Editions, 1994 V. Novotny and G. Chesters: Handbook of non-point pollution, Van Nostrand Reinhold Co., 1981

S. Hardjowigeno: Ilmu tanah, PT Medyatama Sarana Perkasa, 1987

Disiapkan oleh: Enri Damanhuri [email protected]

Guru Besar pada Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan – ITB 1

Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah

Skema terjadinya leachate /lindi

Sumber : Damanhuri (2008)

Contoh sumber pencemar: leachate landfill

2

Bahan kontaminan (1)

Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 - Pencemaran Tanah

3

• Migrasi atau transport kontaminan dari topsoil banyak ditentukan oleh komposisinya, dapat berupa partikulat (terjerap oleh partikel tanah), atau terlarut dalam air menuju air tanah;

• Tergantung pada kapasitas sorpsi dari tanah, akan terjadi keseimbangan sorpsi, apakah partikulat kontaminan akatn tetap terjerap pada tanah, atau berada pada fase larutan.

• Banyak zat (nutrisi, organik, dsb) akan mengalami proses degradasi, volatilisasi, dan penguraian kimiawi. Zat yang bertahan (persisten) dikenal sebagai zat konservatif, dan mereka yang masanya berubah sesuai perjalan waktu, disebut non-konservatif.

• Transport kontaminan di alam akan berlangsung dengan beragam cara dan mekanisme. Yang paling penting adalah melalui air: sistem surface run-off, soil water, dan air tanah.



4

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 tinggi. – Di pertambangan (tailing, dsb) – Di sekitar industri pemroses logam. – Di sekitar dumping limbah, misal limbah B3, dumping

sampah kota yang tidak 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, seperti Hg, Pb, Cd, Cr.



5

Logam berat (lanjut): • Laju uptake tanaman tergantung kelarutan logam tsb dalam

larutan tanah (air): – Bahan yang secara mudah ter-immobilisasi, biasanya lebih

tidak 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 (pestisida) bersasaran

meningkatkan rendemen (yield) tanaman, dan mengontrol hama tanaman; termasuk di sini: membunuh vektor penyakit seperti nyamuk.

• sudah terbukti: peningkatan yoeld tanaman berkorelasi dengan peningkatan penggunaan bahan pestisida.



6

Kimia organik (lanjut): • Pestisida: insektisida, herbisida, dan fungisida; • Insektisida:

– Mengontrol insek (ternasuk nyamuk) – Jenis: organoklorin (DDT, dieldrin, aldrin, klordan, heptaklor, lindane),

organofosfor, karbamat. – Organofosfor dan karbamat: lebih tidak persisten dibanding organoklorin.

• Lebih dari 40.000 jenis pestisida telah diproduksi, diantaranya telah dilarang digunakan (termasuk DDT). Walau DDT sudah tidak diproduksi dan sudah lama dilarang, keberadaannnya sudah menyebar ke seluruh dunia, karena terbawa air dan lautan.

• Jenis dan sifat residu pestisida mencapai badan air banyak tergantung pada: – Jumlah, laju aplikasi, lamanya digunakan – Sifat persistensi dan waktu tinggal bahan tsb. di badan air – Mobilitas bahan tersebut.



7

Kimia organik (lanjut): • Fabrikasi DDT (1945) merupakan titik balik penggunaan bahan

kimia secara besar-besaran, diikuti dengan bahan kimia lain yang berbahan petroleum.

• Lebih dari 40.000 jenis pestisida telah diproduksi, diantaranya telah dilarang digunakan (termasuk DDT). Walau DDT sudah tidak diproduksi dan sudah lama dilarang, keberadaannnya sudah menyebar ke seluruh dunia, karena terbawa air dan lautan.

• Jenis dan sifat residu pestisida mencapai badan air banyak tergantung pada: – Jumlah, laju aplikasi, lamanya digunakan – Sifat persistensi dan waktu tinggal bahan tsb. di badan air – Mobilitas bahan tersebut.



8

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 penting bagi populasi mikroorganime tanah.

• Kesuburan tanah tidak selalu identik dengan tingginya organik tanah. Tanah organik yang mempunyai drainase buruk, dan kurang aerasi, mempunyai aktivitas penguraian yang kecil. Bila drainase diperbaiki, terjadi konversi organik, kesuburan akan meningkat.

Sifat bahan kimia di lingkungan (1)

• Sifat kimia-fisik dari bahan kimia (dalam hal ini sebagai kontaminan) yang akan berinteaksi ke lingkungan penting 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 partisi, 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 9


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 volatil 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 menjadi fase uap;


10


Konstanta Henry (lanjut):

– Hukum Henry: pada kondisi keseimbangan, tekanan parsial dari sebuah gas (kimia volatil) 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)


11

Sifat bahan kimia di lingkungan (4) Koefisien difusi:

– Kontaminan di air dan di udara cenderung bergerak dari titik dengan konsentrasi tinggi ke titik dengan konsentrasi rendah;

– Difusi: gerakan sebuah kontaminan di bawah pengaruh gradien konsentrasi;

Koefisien partisi oktanol-water (Kow):

– Sifat hydrophobicity (menolak air) adalah penggerak utama fenomena sorpsi (penjerapan) 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

senyawa dianalisa.


12

Koefisien partisi oktanol-water (lanjut):

Kow = Co/C Co = konsentrasi pada oktanol (mg/L) C = konsentrasi pada air (mg/L)

• Koefisien tsb menilai bagaimana senyawa organik berpartisi antara fase organik dan air, nilainya = 10-3 sampai 107;

• Nilai tsb berguna untuk mengestimasi 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 partisi soil-water Kp = X/C X = konsentrasi pada tanah (ppb) C = konsentrasi pada air (ppb)

Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 -

Pencemaran Tanah 13


Koefisien partisi oktanol-water(lanjut): ⁻ Hampir seluruh adsorpsi bahan kimia organik oleh tanah

terjadi karena kandungan karbon (C) organik; ⁻ Koefisien partisi Carbon-organik KOC = Cc/C Cc = konsentrasi adsorbed (µg adsorbed/kgC-organik)=ppb C = konsentrasi pada air (mg/L) – KOC : diestimasi dengan: KOC = Kp/fOC

fOC = fraksi C-organik dalam tanah (tanpa dimensi) Faktor biokonversi (BCF):

– BCF mengindikasikan jumlah bahan kimia yang terakumulasi pada organisme akuatis:

BCF = Corg/C Corg = konsentrasi pada mikrorganisme (mg/kg = ppm)


14


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. • Slug: air dan zat (kontaminan)


15

• Adveksi: pengangkutan kontaminan oleh solute;

• Difusi (secara molekuler): bergeraknya zat/kontaminan dari konsentrasi tinggi ke rendah, walau tanpa aliran air;

• ‘Partikel-partikel’ 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;

• Dilusi (pengenceran): pencampuran dengan air sekitar, menyebabkan penurunan konsentrasi solute.

Kontaminan diangkut oleh mekanisme adveksi (mungkin disertai difusi) lalu terdispersi, dan konsentrasinya berubah akibat mekanisme dilusi.

Transport kontaminan: proses fisik (2)


16

t1

t1

t2

t2 t3

t3 t4

t4

Sumber

Sumber

One-time (slug) point source

Continous point source

Arah Aliran air tanah Migrasi PLUME

Transport kontaminan: non-idealized (1)


17

• Model yang biasa digunakan untuk aliran air tanah dan transpor kontaminan adalah untuk media berpori;

• Tetapi pada kenyataannya, terdapat media lain, seperti 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;

Transport kontaminan: non-idealized (2)


18

• 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 - Stratifikasi densitas - Aliran non-aqueous - Aliran media fraktur

Kimia - Oksidas-reduksi - Penukaran ion - Kompleksasi - Pengendapan - Fase partisi - Sorpsi

Biologis - Degradasi aerobik - Degradasi anaerobik - Uptake biologis - Metabolisme lain

Transport kontaminan: proses kimia-biologi (1)


19

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

Volatilisasi Organik Eliminasi

Dissolusi Organik/anorganik Percepatan mobilitas

Co-solvation Organik Percepatan mobilitas

Ionisasi Organik Percepatan mobilitas

Kompleksasi Anorganik Percepatan mobilitas

Fase immiscible Organik Partitioning

Sorpsi: proses berpindahnya kontaminan (sorbate) dari satu fase ke fase lainnya:

Sorben: karbon aktif, 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;

• Partisi kontaminan antara solven (air) dan fase sorben: K = V1*f1/V2*f2

K = koefisien fase partisi untuk solut spesifik V1, V2 = volume molar solven dan fase sorben f1 , f1 = koefisien aktivitassolven dan fase sorben.

• Adsorpsi: proses terjadi di permukaan, misalnya adsorpsi karbon aktif. Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 -

Pencemaran Tanah 20



21

Sorpsi kontaminan: • Banyank kontaminan konservatif dan non-konservatif tertahan

(immobilized) oleh partikel 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 matematis, keseimbangan sorpsi (iasotem) yang paling

sering digunakan: – Isoterm Langmuir – Isoterm Freundlich – Kedua model isoterm tsb. akan dibahas secara khusus dalam

kuliah lanjut.




22

Decay, sublimasi dan transformasi: • Tidak begitu berperan, tetapi perlu dipertimbangkan dalam

penentuan neraca massa kontaminan dalam tanah. • Dinyatakan sebagai first order:

𝑑𝐶

𝑑𝑡= −𝐾𝑑𝐶 −

𝐾𝑠

𝐷𝑥𝐶

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 tinggi 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.



23

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 partikel tanah, atau ter-

presipitasi. • Uptake tinggi terjadi bila konsentrasi bahan tersebut tinggi, dan

tidak (belum) tersedia pada tanaman. • pH: kebanyakan logam berat toksik mempunyai kelarutan tinggi

pada pH rendah. Uptake juga tergantung pada jenis tanaman. • Penggunaan tamanan sebagai uptake kontaminan, perlu kehati-

hatian: apakah tanaman tsb akan manjadi rantai makanan, atau bagaimana penanganan tanaman tsb. kelak



24

LNAPL: NAPL yang mempunyai densitas lebih tinggi dari air, misal produk minyak petroleum

Zone Vadose

Akuifer

Akuitard

Zone Vadose

Akuifer

Akuitard

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

yang sangat rendah

DNAPL: NAPL yang mempunyai densitas lebih rendah dari air, misal solven berkhlor

Pengolahan – pemrosesan...

Documents

Transcript of Pengolahan – pemrosesan...