BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Pencemaran Udara 1. Definisi Pencemaran Udara Menurut Peraturan Pemerintah Nomor 41 Tahun 1999 tentang Pengendalian Pencemaran Udara, pencemaran udara adalah masuknya atau dimasukkannya zat, energi, dan atau komponen lain ke dalam udara oleh kegiatan manusia, sehingga mutu udara turun sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan atau mempengaruhi kesehatan manusia. Sedangkan pencemaran lingkungan hidup memiliki pengertian masuknya atau dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi, dan atau komponen lain ke dalam lingkungan hidup oleh kegiatan manusia sehingga kualitasnya turun sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan lingkungan hidup tidak dapat berfungsi sebagaimana mestinya. Menurut Soenarmo (1999), pencemaran merupakan hasil sampingan dari industrialisasi penghasil barang, dapat berupa padat, cair maupun gas, dan pencemaran udara adalah masuknya zat pencemar berupa partikel- partikel halus (debu, partikel halus, gas beracun atau toksit) ke dalam udara (atmosfer). Sedangkan menurut Supriyono (1999), pencemaran udara diartikan terdapatnya bahan kontaminan dalam udara ambien yang diakibatkan dari aktivitas manusia. Sementara itu, udara ambien adalah udara bebas dipermukaan bumi pada lapisan troposfer yang berada di dalam wilayah yurisdiksi Republik Indonesia yang dibutuhkan dan mempengaruhi kesehatan manusia, makhluk hidup dan unsur lingkungan hidup lainnya (PP No. 41 Tahun 1999). Kualitas udara ambien dipengaruhi oleh kandungan atau kadar zat, energi dan komponen lain yang terdapat di udara bebas (Syahputra, 2005). Beberapa parameter kualitas udara yang dianalisis meliputi sulfur dioksida, karbon monoksida, dan hidrogen sulfida. Standar kualitas udara ambien menurut EPA (Environmental Protection Agency) milik Amerika Serikat yang disebut sebagai NAAQS (National Ambient Air Quality and Standards) disajikan pada Tabel 1.
31
Embed
BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Pencemaran Udara 1. Definisi ... · Definisi Pencemaran Udara Menurut Peraturan Pemerintah Nomor 41 Tahun 1999 tentang ... terutama dapat menimbulkan sesak
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
A. Pencemaran Udara
1. Definisi Pencemaran Udara
Menurut Peraturan Pemerintah Nomor 41 Tahun 1999 tentang
Pengendalian Pencemaran Udara, pencemaran udara adalah masuknya atau
dimasukkannya zat, energi, dan atau komponen lain ke dalam udara oleh
kegiatan manusia, sehingga mutu udara turun sampai ke tingkat tertentu
yang menyebabkan atau mempengaruhi kesehatan manusia. Sedangkan
pencemaran lingkungan hidup memiliki pengertian masuknya atau
dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi, dan atau komponen lain ke
dalam lingkungan hidup oleh kegiatan manusia sehingga kualitasnya turun
sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan lingkungan hidup tidak dapat
berfungsi sebagaimana mestinya.
Menurut Soenarmo (1999), pencemaran merupakan hasil sampingan
dari industrialisasi penghasil barang, dapat berupa padat, cair maupun gas,
dan pencemaran udara adalah masuknya zat pencemar berupa partikel-
partikel halus (debu, partikel halus, gas beracun atau toksit) ke dalam udara
(atmosfer). Sedangkan menurut Supriyono (1999), pencemaran udara
diartikan terdapatnya bahan kontaminan dalam udara ambien yang
diakibatkan dari aktivitas manusia.
Sementara itu, udara ambien adalah udara bebas dipermukaan bumi
pada lapisan troposfer yang berada di dalam wilayah yurisdiksi Republik
Indonesia yang dibutuhkan dan mempengaruhi kesehatan manusia, makhluk
hidup dan unsur lingkungan hidup lainnya (PP No. 41 Tahun 1999).
Kualitas udara ambien dipengaruhi oleh kandungan atau kadar zat, energi
dan komponen lain yang terdapat di udara bebas (Syahputra, 2005).
Beberapa parameter kualitas udara yang dianalisis meliputi sulfur dioksida,
karbon monoksida, dan hidrogen sulfida. Standar kualitas udara ambien
menurut EPA (Environmental Protection Agency) milik Amerika Serikat
yang disebut sebagai NAAQS (National Ambient Air Quality and
Standards) disajikan pada Tabel 1.
4
Tabel 1. Standard kualitas udara ambien.
No. Parameter Satuan Nilai Batas Waktu rata-rata
1 Carbon Monoxide (CO)
ppm 9 8 jam
mg/m³ 10
ppm 35 1 jam
mg/m³ 40
2 Nitrogen Dioxide (NO2) ppm 0,053
per tahun µg/m³ 100
3 Sulfur Dioxide (SO2)
ppm 0,03 per tahun
ppm 0,14 24 jam
ppm 0,5 3 jam
4 Partikel PM10 µg/m³ 150 24 jam
5 Partikel PM2,5 µg/m³ 15 per tahun
µg/m³ 35 24 jam
6 Ozon (O3) ppm 0,075 8 jam
ppm 0,12 1 jam Sumber : The EPA Office of Air Quality Planning and Standards (OAQPS) 2008
Salah satu akibat dari tercemarnya lingkungan udara adalah timbulnya
bau dari sumber bau atau zat odoran yang dapat menimbulkan rangsangan
bau pada keadaan tertentu sehingga sangat mengganggu kesehatan manusia.
Pemerintah telah menetapkan regulasi mengenai tingkat atau kadar kebauan
di udara ambien untuk menciptakan lingkungan yang nyaman dan sehat
dengan KEPMEN Negara Lingkungan Hidup No 50 Tahun 1996 tentang
dimana konstanta a, c, d, dan f didefinisikan pada Tabel 4.
27
Tabel 4. Nilai konstanta a, c, d, dan f untuk menghitung σy dan σz sebagai fungsi dari jarak (Davis et al., 2004)
Kelas stabilitas
x < 1 km x > 1 km a c d F c d f
A 213 440.8 1.941 9.27 459.7 2.094 -9.6 B 156 100.6 1.149 3.3 108.2 1.098 2 C 104 61 0.911 0 61 0.911 0 D 68 33.2 0.725 -1.7 44.5 0.516 -13 E 50.5 22.8 0.678 1.3 55.4 0.305 -34 F 34 14.35 0.74 -0.35 62.6 0.18 -48.6
Sumber : Martin,D.O.,”Comment on the change of concentration standard deviations with distance,” Journal of the Air Pollution Control Association, vol. 26, pp. 145-146, 1976.
Variasi diurnal radiasi matahari yang mempengaruhi temperatur udara
memiliki peranan penting dalam menentukan kestabilan atmosfer. Pada
malam hari kondisi udara stabil karena temperatur permukaan tanah lebih
rendah dari pada temperatur udara. Pada saat matahari terbit dan kondisi
udara cerah, radiasi matahari memanaskan permukaan tanah lebih cepat
dibandingkan udara, kondisi ini memicu timbulnya turbulensi udara.
Ketebalan lapisan konveksi semakin meningkat pada siang hari akibat
pemanasan lapisan permukaan tanah, sehingga kondisi atmosfer menjadi
tidak stabil karena pergerakan udara menjadi sangat dinamis. Pada sore hari
temperatur udara sama dengan temperatur permukaan tanah, sehingga profil
temperatur udara menjadi adiabatik karena tidak adanya fluks bahang dari
permukaan tanah (Seinfeld, 1986).
4. Kecepatan Angin
Arah angin dan kecepatan angin memegang peranan penting dalam
proses pengenceran (dilution) dan pemindahan (transportation).
Peningkatan kecepatan angin akan menyebabkan penambahan jumlah
volume udara bersama gas-gas polutan yang terkandung dalam suatu kurun
waktu tertentu. Proses penyebaran (dispersi) banyak dipengaruhi oleh variasi
arah angin jika arah angin secara kontinu menyebar ke berbagai arah maka
area sebaran polutan semakin luas, sedangkan apabila arah angin dominan
tetap bergerak hanya ke satu arah tertentu, maka daerah tersebut akan
memiliki tingkat paparan polutan yang tinggi (Liptak et al., 2000).
28
Menurut Davis et al. (2004), arah angin menentukan ke mana arah
mengalir atau bergeraknya gas yang terkontaminasi di atas permukaan.
Kecepatan angin mempengaruhi ketinggian kepulan dan nilai campuran atau
pengenceran (dilution) gas-gas pencemar yang telah diemisikan dari titik
keluaran. Peningkatan kecepatan angin akan menurunkan ketinggian
kepulan dengan membelokkan kepulan tersebut lebih cepat dari titik
keluarannya, dan penurunan ketinggian kepulan cenderung akan
meningkatkan konsentrasi polutan di permukaan tanah (ground level).
Menurut Davis et al. (2004), koreksi kecepatan angin berdasarkan
uz = Kecepatan angin pada ketinggian z yang diinginkan, m/det
uo = Kecepatan angin pada ketinggian standar, m/det
ho = Ketinggian alat ukur anemometer, m
hz = Ketinggian kecepatan angin yang diinginkan, m
n = Konstanta yang ditentukan berdasarkan stabilitas atmosfer
EPA (Environmental Protection Agency) United State, membedakan
kondisi stabilitas atmosfer di daerah pedesaan dan kota untuk menentukan
nilai eksponen n yang tersaji dalam Tabel 5 (Davis et al., 2004), sebagai
berikut :
Tabel 5. Aturan nilai eksponen n untuk pedesaan dan kota
Kelas stabilitas Pedesaan Kota
Kelas stabilitas Pedesaan Kota
A 0.07 0.15 D 0.15 0.25 B 0.07 0.15 E 0.35 0.30 C 0.10 0.20 F 0.55 0.30 Sumber : User’s Guide for ISC3 Dispersion Models, Vol.II, EPA-454/B-95-003b,U.S,
September, 1995
Pergerakan atmosfer dalam bentuk parsel udara atau angin disebabkan
oleh ketidakseimbangan radiasi bersih, kelembaban dan momentum diantara
29
lintang rendah dan lintang tinggi di satu pihak serta diantara permukaan
bumi dan atmosfer dilain pihak (Prawirowardoyo, 1996). Perbedaan
penerimaan radiasi matahari akan menyebabkan terjadinya perbedaan
tekanan udara. Semakin tinggi gradien tekanan maka kecepatan angin akan
semakin tinggi.
E. Dasar-dasar Simulasi
Menurut Syamsa (2003), simulasi komputer adalah usaha mengeksplorasi
model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan
menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata
dengan sebagian besar rinciannya. Sedangkan simulasi proses adalah penggunaan
model matematika untuk menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari
sistem dengan mengukur tanggap dinamik variabel-variabel proses yang dipantau,
misalnya temperatur tekanan, dan komposisi bahan. Dengan memanipulasi atau
bekerja dengan model diharapkan :
1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran.
2. Lebih memahami model fisik dan matematik dari fenomena dan
proses.
3. Bereksperimen dengan model.
4. Melakukan pengujian dengan model.
5. Menggunakan model untuk tujuan pendidikan dan pelatihan.
Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua kategori
berdasarkan kondisinya yaitu simulasi pada keadaan tunak dan simulasi keadaan
dinamik (Syamsa, 2003). Simulasi keadaan tunak biasanya terdiri dari sejumlah
persamaan aljabar yang diselesaikan secara iteratif, misalnya untuk menghitung
kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dari suatu proses dibawah kondisi
keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum
digunakan dalam proses industri seperti pengukuran boiler dan peralatan turbin
untuk laju panas tertentu. Sedangkan simulasi keadaan dinamik tidak hanya
memperhatikan kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dalam keadaan tunak,
tetapi juga kondisi transien dari perubahan proses. Simulasi dilakukan dengan
30
menyelesaikan persamaan persamaan diferensial non-linier berjumlah besar dalam
waktu nyata, untuk menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari
proses yang disimulasikan. Laju akumulasi masa dan energi dihitung secara
kontinyu dan diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu
untuk menghasilkan proses tiruan dari tanggap dinamik yang realistik seperti
temperatur, tekanan dan komposisi bahan.
F. Pemodelan Matematik
Menurut Syamsa (2003), model matematik adalah gambaran dari
karakteristik dinamik suatu sistem. Agar dapat diselesaikan dengan komputer,
maka fenomena atau proses fisik harus dapat dimodelkan dengan persamaan
matematika. Dengan pemodelan diharapkan dapat melakukan :
1. Idealisasi dari proses dan fenomena.
2. Memahami pengaruh dan kendali lingkungan.
3. Menganalisis eksperimen yang sulit atau tidak mungkin dapat dilakukan.
4. Mempertajam pemahaman dan mengurangi pemborosan akibat
eksperimen yang tidak terarah (trial and error).
5. Meningkatkan potensi dan keamanan sistem.
G. Metode Komputasi Dinamika Fluida
Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan pemanfaatan program
komputer untuk membuat suatu prediksi apa yang akan terjadi secara kuantitatif
saat fluida mengalir. Dengan menggunakan CFD prediksi aliran fluida diberbagai
sistem dapat dilakukan dengan biaya yang relatif murah dan waktu yang singkat
dibandingkan dengan metode eksperimen (Nugraha, 2005).
Menurut Tuakia (2008), CFD adalah ilmu yang mempelajari cara
memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya
dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika).
Secara istilah CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan
untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir.
Menurut Zhang (2005), pada dasarnya persamaan-persamaan dalam fluida
dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan parsial (PDE = Partial
31
Differential Equation) yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi massa,
momentum, dan energi.
Untuk memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu, program CFD harus
dapat menyelesaikan persamaan yang mengatur aliran-aliran fluida sehingga
pemahaman tentang sifat-sifat dasar aliran fluida sangatlah penting. Persamaan
pengaturan aliran fluida adalah persamaan-persamaan diferensial parsial,
komputer digital tidak dapat langsung digunakan untuk menyelesaikan persamaan
tersebut secara langsung. Oleh karena itu persamaan diferensial ini harus
ditransformasikan kedalam persamaan aljabar yang sederhana dan disebut dengan
metode diskritisasi (Versteeg and Malalasekera, 1995).
Secara umum, proses dalam CFD dibagi kedalam tiga tahapan yaitu
prapemrosesan (pre-processing), pencarian solusi (solving), dan pascapemrosesan
(post-processing) (Purabaya dan Asmara, 2003).
1. Prapemrosesan
Pada tahap prapemrosesan dilakukan pendefinisian masalah dengan
membentuk geometri, dapat berupa geometri dua dimensi maupun tiga
dimensi. Dalam pembentukan geometri ini didefinisikan topologi yang akan
dibangun mulai dari pembentukan titik (point), garis (curve, edge), bidang
(face) atau volume sehingga menjadi model yang diinginkan (Purabaya dan
Asmara, 2003).
Setelah geometri terbentuk dilakukan diskritisasi menjadi sejumlah
grid dimana persamaan atur akan dicari solusinya di masing-masing grid
tersebut. Bila menggunakan diskritisasi grid berstruktur diusahakan sisi
yang membentuk grid tetap tegak lurus atau memliki skewness dengan
toleransi tertentu. Pada grid tak berstruktur diperhatikan perbandingan
antara panjang dan lebar (aspect ratio) bentuk grid (Parwatha, 2003).
Menurut Tuakia (2008), Tahapan ini merupakan langkah pertama
dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Pre-processing
terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan memakai
interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya ke
dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Hal-hal yang
dilakukan pada tahap ini meliputi:
32
- Mendifinisikan geometri dari daerah yang dianalisis.
- Pembentukan grid.
- Pemilihan fenomena kimia dan fisik yang diperlukan.
- Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa
jenis, panas jenis dan sebagainya).
- Menentukan kondisi batas yang sesuai.
Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, temperatur dan lain-
lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD
dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah
sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak selalu
seragam, semakin halus pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan
semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak perubahan (Tuakia,
2008).
2. Pencarian Solusi
Setelah geometri masalah didefinisikan secara numerik melalui grid-
grid, tahap selanjutnya adalah pencarian solusi. Pada tahap ini persamaan
atur yang diterapkan untuk memodelkan medan aliran didiskritisasi untuk
masing-masing grid dan dicari solusinya. Persamaan atur yang digunakan
dalam CFD tergantung dari permasalahan yang akan dimodelkan (Purabaya
dan Asmara, 2003).
Proses pencarian solusi menggunakan metode finite volume, dimana
metode ini dikembangkan dari finite difference khusus (Tuakia, 2008).
Algoritma numerik metoda ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu:
- Aproksimasi variabel aliran yang tidak diketahui menggunakan
fungsi sederhana
- Diskritisasi dengan mensubtitusi hasil aproksimasi ke dalam
persamaan aliran dan manipulasi matematis berikutnya
- Penyelesaian persamaan aljabar.
3. Pasca-pemrosesan
33
Tahap terakhir dalam proses simulasi dengan menggunakan CFD
adalah pasca-pemrosesan. Pada tahap ini semua solusi dari parameter aliran
yang telah diperoleh untuk setiap grid akan dibentuk visualisasi. Visualisasi
solusi ini bertujuan untuk mempermudah memahami solusi yang dihasilkan
oleh sotfware CFD (Purabaya dan Asmara, 2003).
H. Penelitian Terdahulu yang Terkait
Hargreaves (1997), pernah melakukan penelitian tentang simulasi dispersi
gas polutan yang bersumber dari kendaraan bermotor atau sumber yang bergerak
kontinyu. Dengan menggunakan program CFD simulasi yang dilakukannya
terfokus pada analisis pola aliran gas polutan yang diemisikan oleh kendaraan
bermotor di sekitar jalan raya. Bangunan-bangunan gedung di sekitar jalan raya
merupakan objek yang terkena dampak langsung dari sumber polutan yang
dihasilkan oleh kendaraan bermotor. Sedangkan bangunan tersebut merupakan
tempat yang strategis dimana manusia melakukan aktivitas kesehariannya.
Beberapa perangkat software yang digunakan dalam penelitian tersebut
adalah Fluent yang digunakan untuk menganalisis aliran fluida, software
SCALAR yang digunakan untuk membangun geometri bangunan yang akan
disimulasikan dan software CHENSI yang digunakan untuk menganalisis pola
aliran udara yang berupa olakan atau yang disebut vortices pada dinding-dinding
bangunan di sekitar jalan raya.
Berbeda dengan penelitian ini, simulasi yang dirancang adalah simulasi
dispersi gas polutan yang bersumber dari sebuah cerobong di kawasan
perindustrian. Sedangkan fokus area yang diamati adalah pola aliran dispersi gas
polutan dan sebaran konsentrasi gas polutan dari sumber pencemar terhadap area
permukaan tanah di sekitar kawasan industri dimana umumnya makhluk hidup
berpijak. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah software EFD