pencemaran tanah - kuliah.ftsl.itb.ac.id

PENCEMARAN TANAH
Pendahuluan
Sifat fisik
Sifat kimia
Sumber referensi:
V. Novotny and G. Chesters: Handbook of non-point pollution, 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, PTPradnya 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
Tanah: pendahuluan (1)
• Terdapat dimana-mana, kepentingannya 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);
 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
2
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 tinggi berubah
menjadi batuan lain. Misal marmer dari batu kapur karbonat,
kwarsit dari batu pasir.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
3
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 unusr hara
 kapasitar tukar kation menjadi lebih tinggi
– Sumber energi bagi mikroorganisme
• Terdiri dari: organik kasar, dan organik halus (humus);
• Humus: senyawa yang resisten, warna hitam-coklat, daya
simpan air tinggi, berada pada lapisan atas (top soil),
kapasitas tukar kation tinggi;
• Kompos bersifat sebagai humus;
• Tanah gambut pada daerah rawa: tanah organik lebih dari 2030%, tebal lebih dari 40cm.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
4
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 butir air), dan
gravitasi;
• Akibat gaya-gaya tsb. air dalam tanah dibedakan menjadi:
o Air higroskopik: air yang ada dalam tanah, tertahan secara
kuat sehingga tidak dapat diambil akar tanaman  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 butir-butir tanah.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
5
Tanah: pendahuluan (5)
Air pada tanah (lanjutan): dikenal
beberapa istilah
o
o
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
tegangan 1/3 bar
Wilting point:
o bila air pada field capacity di atas
terus menerus diserap oleh akar
atau menguap, sampai akar tidak
dapat lagi mengambilnya.
o Air tersebut terjadi pada tegangan
15 bar
Kandungan air
Saturasi
Field Capacity
Tanpa tanaman
Wilting
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
Dengan tanaman
Waktu
6
Tanah: pendahuluan (6)
Air pada tanah (lanjutan): dikenal beberapa istilah
o Air yang tersedian untuk akar tanaman = air pada kondisi field
capacity – wilting point.
o Kemampuan tanah menahan air dipengaruhi antara lain oleh
tekstur-nya; tanah bertekstur kasar menahan air lebhih kecil
dibanding yang bertekstur halus.
Udara pada tanah:
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 tinggi: tanah lembab mempunyai
kelembaban nisbi, mendekati 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
7
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 tiba di layer ini.
Horizon C: material induk penyusun batuan
Horizon D: comsolidated rock
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
8
Tanah: sifat fisik (2)
1.
2.
Profil tanah (lanjut):
– Bentuk topografi dari batas horizon atas dapat berupa: rata,
berombak, tidak teratur, terputus;
Warna: petunjuk beberapa sifat tanah:
o Bagian permukaan: umumnya dipengaruhi oleh kandungan
organik; makin tinggi organik, makin gelap warnanya (abuabu).
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+ seperti Fe2O3 (hematit, warna merah) atau
Fe2O3. 3H2O (limonit, warna kuning-coklat);
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
9
Tanah: sifat fisik (3)
2. Warna (lanjut):
o Bila kadang basah, kadang kering: disamping warna abuabu, di tempat udara dapat masuk, terdapat warna bercak
merah-kuning, karena Fe2+ menjadi Fe3+
3. Tekstur:
– Terdiri dari butir-butir 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
10
Tanah: sifat fisik (4)
3. Tekstur (lanjut):
– Versi USDA (US Dept of Agriculture)
– Versi USCS (Unified Soil Classification System)
Sieve # 10
Sieve # 200
2 mm
0,075 mm
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
0,002 mm
11
Tanah: sifat fisik (5)
3. Tekstur (lanjut):
– Berdasarkan kandungan sand, silt dan clay, tanah
dikelompokkan menjadi:
Kasar
Sand
Loamy sand
Agak kasar
Sandy loam
Sandy loam (fine)
Sedang
Sandy loam (very fine)
Loam
Silt loam
Silt
Agak halus
Clay loam
Sandy clay loam
Silty clay loam
Halus
Sandy clay
Silty clay
clay
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
Sand = pasir
Loam = lempung
Silt = debu
Clay = liat
12
Tanah: sifat fisik (6)
3.
Tekstur (lanjut):
Klasifikasi berdasarkan
USDA didasarkan atas
analisa distribusi ukuran
partikel, membagi tanah
atas sand, silt dan clay.
20% silt
Sand: bila paling tidak
terdapat 70% pasir
Clay: bila paling tidak
terdapat 35% clay
6% clay
Loam: bila ketiga
komponen tersebut
berimbang
74% sand
74% sand, 20% silt dan 6% clay = sandy loam
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
13
Tanah: sifat fisik (7)
4. Struktur:
– Merupakan gumpalan kecil butir-butir tanah, mempunyai
bentuk, ukuran, ketahanan (kemantapan) yang berbeda;
– Terjadi karena butir-butir sand, silt dan clay terikat satu
sama lain oleh perekat organik, oksida besi, dsb;
– Bentuk: seperti lempeng, prisma, tiang, gumpal bersudut,
gumpal membulat, granular, remah;
– Ukuran berbeda sesuai bentuk;
– Kemantapan: mudah hancur, agak sukar hancur, sukar
hancur;
– Tanah tidak berstruktur: bila tidak 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
14
Tanah: sifat fisik (8)
5. Konsistensi:
– Kekuatan kohesi atau adesi butir 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 plastisitasnya
(plastis sampai tidak plastis), dan kelekatannya (lekat
sampai tidak lekat)
– Konsistensi: bagian dari rheologi, ilmu yang mempelajari
bentuk (deformation) dan aliran (flow) suatu benda;
– Sifat rheologi tanah: antara lain diukur dengan angka
Atterberg;
– Nilai Atterberg: 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
15
Tanah: sifat fisik (9)
5.
Konsistensi (lanjutan):
– Angka Atterberg (%):
• 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 tidak melekat
pada benda lain. Bila kadar air lebih kecil dari nilai tsb,
tanah tidak melekat pada benda. Bila lebih tinggi, tanah
mudah melekat.
• Bila tanah yang telah mencapai batas mengalir atau
batas melekat tersebut dapat dibentuk seperti gulungan
yang tidak patah saat digolek-golekkan, disebut tanah
plastis.
• Plastic limit (PL) atau batas plastis: kadar air dimana
gulungan tsb bila digolek-golekkan akan pecah.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
16
Tanah: sifat fisik (10)
5.
Konsistensi (lanjutan):
Angka Atterberg (%) (lanjut):
Pengertian
Batas mengalir
(LL)
Indek platisitas
(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 tinggi
71-100
31-43
26-40
Esktrim tinggi
>100
>43
>40
Clay liner landfill yang dianggap baik bila
berada pada posisi ‘rendah’ sampai ‘sedang’
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
17
6.
Tanah: sifat fisik (11)
7.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
18
Tanah: sifat fisik (12)
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
19
Tanah: sifat fisik (13)
8.
Pori-pori (Porositas):
• Bagian tanah yang tidak 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): tipikal 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
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
20
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 claymontmorillonit.
– Besaran pengembangan dan pengerut dinyatakan:
• Coefficient of linear extensibility –COLE (bidang ilmu
tanah), atau
• Potential volume change-PVC (bidang engineering –
geoteknik)
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
21
Tanah: sifat kimia (1)
1.
Asam-basa (pH tanah):
– Pada tanah asam, jumlah ion H+ lebih tinggi dibanding OHdemikian; sebailknya. Di Indonesia, tanah umumnya
mempunyai pH 4,0 - 5,5.
– Di daerah rawa pH tanah < 3 , disebut tanah sulfat karena
asam sulfat yang tinggi;
– Di daerah arid (kering) pH tanah bisa mencapai 9, karena
banyak mengandung garam Na.
– pH tanah banyak menentukan:
• Mudah tidaknya 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 tinggi.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
22
Tanah: sifat kimia (2)
2.
Koloid tanah:
– Bahan mineral dan organik yang sangat halus, umumnya
bermuatan negatif. Ion bermuatan positif (seperti logam
berat) akan ditarik oleh koloid tsb, membentuk lapisan
ganda ion (inonic double layer);
– Koloid tanah merupakan bagian tanah yang sangat aktif
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: seperti kaolinit, haloisit,
montmorillonit, ilit. Umumnya bermuatan negatif,
mempunyai kapasitas kation (KTK) tinggi (> 4 me/100gr)
• Oksida-oksida Fe dan Al: seperti gibsit, goetit, limonit.
Umumnya bermuatan positif, bersifat amorf, mempunyai
KTK rendah (< 4 me/100gr).
– Koloid organik, seperti humus, tersusun oleh C-H-O, disusun
oleh asam fulvik, asam humik dan humin.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
23
Tanah: sifat kimia (3)
3.
Kapasitas tukar kation (KTK):
– Salah satu parameter kimia tanah yang penting adalah
Kapasaitas Tukar Kation (KTK) atau Cation Exchange Capacity
(CEC), yaitu kemampuan tanah atau sedimen untuk
menukarkan kation yang ada padanya dengan kation lain dari
luar, misalnya berasal dari pencemar logam berat.
– Mineral (clay) tanah dapat melakukan penukaran kation:
• Clay bermuatan negatif, mampu menarik kation
(terjerap);
• Sebuah atom kation yang ada padanya, yang mempunyai
jumlah atom dengan tingkat oksidasi lebih kecil (misalnya
Mg2+), dapat digantikan oleh kation dari luar yang
mempunyai atom dengan tingkat oksidasi lebih tinggi
(misalnya Al+3).
– Material organik tanah:
• Walaupun pada dasarnya mempunyai muatan negatif,
tetapi dia mempunyai gugus karboksil dan gugus fenol
yang aktif, sehingga
mampu menarik kation;
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
24
Tanah: sifat kimia (4)
3.
Kapasitas tukar kation (lanjut):
– Kation bermuatan positif seperti Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH+,
H+, Al3+ terlarut dalam air tanah, atau terjerap (sorpsi) oleh
koloid-koloid tanah;
– Kation yang terjerap tsb sukar larut akibat air gravitasi, tetapi
dapat diganti oleh kation lain dengan mekanisme penukaran
kation 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
25
Tanah: sifat kimia (5)
3.
Kapasitas tukar kation (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:
 artinya = (21 ,5*40/2)/100gr = 430mg/100gr = 4.300
mg/1.000.000 mg = 4.300 ppm.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
26
Tanah: sifat kimia (4)
3. Kapasitas tukar kation (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 tinggi (misalnya yang dilapiskan pada bagian
bawah landfill) akan mampu menahan logam berat
dari lindi yang melaluinya;
• Tanah dengan KTK tinggi mampu menyerap dan
menyediakan unsur hara bagi tanaman yang lebih
baik daripada tanah dengan KTK rendah.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
27
Tanah: sifat kimia (5)
3.
Kapasitas tukar kation (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 positif:
• Terjadi penjerapan anion seperti NO3-, Cl-, dsb
• Kation-kation tidak terjerap, dan berada pada air tanah
• Tanah mempunyai daya fikasasi kuat pada P, maka
ketersediaan P sangat rendah.
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 Pencemaran Tanah
28
PENCEMARAN TANAH
Isoterm sorpsi
Koefisien oktanol-air, koefisien distribusi tanah
Hukum Darcy
Reaksi pencemar dalam tanah
Sumber referensi:
V. Novotny and G. Chesters: Handbook of non-point pollution, Van Nostrand Reinhold Co., 1981
R.J. Watts: Hazardous waste, John Wiley & Sons, Inc., 1997
S. Sosrodarsono: Hidrologi untuk pengairan, PTPradnya Paramita, 1978
Disiapkan oleh: Enri Damanhuri
[email protected]
Guru Besar pada Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan – ITB
Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013
Pencemaran Tanah
29