Экологический инжиниринг - это то, что вы можете получить в наши дни, но эта область существовала задолго до того, как у нее появилось название, она началась на заре цивилизации, когда мы начали изменять нашу окружающую среду, чтобы удовлетворить наши потребности. Он включает в себя применение научных и инженерных практик в отношении того, как мы используем и воздействуем на наши природные ресурсы. Современные инженеры-экологи работают над решением таких проблем, как сокращение загрязнения и очистка, потребление энергии и выбросы, эрозия земель, очистка воды и управление отходами, чтобы должным образом управлять и поддерживать качество нашей почвы, воды и воздуха. Они стремятся сделать всех более здоровыми и счастливыми, помогая нам жить за счет земли более эффективно и менее разрушительно.
Инженеры-экологи, возможно, являются невоспетыми героями, которые помогли сделать современный мир таким, какой он есть сегодня, изобилующим относительно безопасной пищей и водой, пригодным для дыхания воздухом, в значительной степени свободной от чумы средой обитания и энергоэффективным потреблением топлива, чтобы помочь много всего, что мы делаем. Население человечества составляет около 7 миллиардов человек и продолжает расти. Значение поля будет только увеличиваться по мере роста этого числа.
Уже было несколько важных нововведений, которые помогли большинству из нас добраться до этой точки живыми и здоровыми. Читайте дальше, чтобы узнать, что эти управители Земли предоставили нам в прошлом и над чем работают в будущем.
10: Канализация
Мы давно хотели жить в среде, свободной от человеческих отходов, сначала из-за неприятного запаха, а позже, когда мы установили связь, чтобы предотвратить серьезные и смертельные вспышки болезней. Канализационные системы отвечают всем требованиям, удаляя большое количество человеческих экскрементов из населенных пунктов, и они развивались на протяжении тысячелетий.
Между 2000 и 4000 г. до н.э. Месопотамская империя (современный Ирак), Мохенджо-Даро (современный Пакистан), Египет, остров Крит и Оркнейские острова в Шотландии уже имели дренажные системы - и, в некоторых случаях внутренние санитарно-технические сооружения. К нескольким сотням лет до нашей эры у греков были канализационные системы, по которым дождевые и сточные воды отводились в сборные бассейны, которые орошали и удобряли поля. У древних римлян были подземные коллекторы, которые впадали в реку Тибр.
На протяжении многих лет было проведено множество проб и ошибок, и вспышки заболеваний указывали на необходимость держать канализационные выходы подальше от питьевой воды. Со временем мы также узнали о необходимости обслуживания канализации, и родился люк (или был изобретен заново, как мы увидим позже). Большинство из них также были построены так, чтобы их периодически смывали приливной или дождевой водой.
С древних времен и всего несколько десятилетий назад неочищенные отходы по канализации в основном транспортировались непосредственно в реки, океаны или другие крупные водоемы. Современные канализационные системы более сложны, что приводит к очистным сооружениям, где вода обрабатывается путем фильтрации и добавления различных химикатов для дезинфекции и удаления загрязняющих веществ, прежде чем она вернется в природу. И, без сомнения, они будут продолжать развиваться.
9: Акведуки
Нам нужна вода, чтобы жить, поэтому не случайно многие древние цивилизации возникли вокруг природных источников воды. Но древние греки и римляне нашли способ помешать или, по крайней мере, отвлечь природу, изобретя акведуки. Акведуки использовались для транспортировки большого количества воды из одного места в другое, иногда на расстояние до 60 миль (96,6 км). Они использовали силу гравитации, чтобы спустить воду вниз по искусственным каналам, построенным под постоянно падающим уклоном.
Акведуки в основном были сделаны из таких материалов, как бетон, цемент, кирпич и камень. Они часто берут начало у источников в холмистой местности, но также были построены плотины и водохранилища, чтобы питать их из рек или ручьев. Когда мы думаем об акведуках, на ум приходят аркады или надземные каменные мосты, поддерживаемые арками. Но акведуки также состояли из более коротких стен, крытых траншей на уровне земли, подземных туннелей и труб, чтобы облегчить движение воды по самым разнообразным ландшафтам.
Конечным пунктом назначения акведука был распределительный резервуар, называемый кастеллум, который обычно располагался на возвышенности в городе. Он отправлял воду в меньшие кастеллы, откуда она текла по каменным трубопроводам или трубам, питая фонтаны, ванны, общественные питьевые бассейны, а иногда даже частные дома.
Первый акведук в Риме был построен в 312 г. до н.э. Ко времени строительства Аква Траяна императором Траяном около 109 г.э., римские акведуки ежедневно доставляли в город сотни миллионов галлонов воды. Эти водные пути позволяли римским городам поддерживать гораздо большее население, чем они были бы в состоянии только с природными источниками воды.
8: Системы биофильтрации
Биофильтрация - это процесс пропускания воздуха или воды через пористый влажный материал, содержащий микроорганизмы, с целью удаления запахов и загрязнений. Загрязняющие вещества разлагаются до основных соединений, таких как вода или углекислый газ, наряду с другими полезными продуктами биомассы, которые являются побочными продуктами метаболических процессов микробов. Системы биофильтрации используются для очистки сточных вод и промышленных газообразных выбросов, а также выбросов от компостирования и других применений. Они использовались с 1950-х годов для удаления вредных запахов, но в настоящее время широко используются и для удаления промышленных загрязнителей.
Различные штаммы бактерий, а также контроль влажности, pH и температуры можно использовать для эффективного разложения различных целевых загрязнителей. В отличие от традиционных фильтров, биофильтры уничтожают вредные вещества, а не просто отфильтровывают их, но они могут работать только с биоразлагаемыми загрязнениями. Биофильтрация в основном используется для уничтожения токсичных выбросов, таких как образующиеся при сжигании топлива углеводороды и некоторые типы летучих органических соединений (ЛОС).
ЛОС образуются и выделяются при производстве широкого спектра продуктов, содержащих органические химические вещества, включая краски, моющие средства, косметику и топливо. Технически они представляют собой соединения углерода, которые реагируют с кислородосодержащими молекулами в атмосфере под воздействием солнечного света, что приводит к образованию озоносодержащего смога.
7: Биосваль
Bioswales - это участки растительности, состоящие из травы, цветов, деревьев или других растений, которые поглощают ливневые стоки, помогая разлагать или удалять загрязняющие вещества до того, как они попадут неочищенными в близлежащие водоемы или в канализационные системы. Биосвалы можно использовать для формирования каналов, которые направляют поток и фильтруют воду, или их можно размещать полосами (иногда называемыми полосами биофильтрации или фильтрующими полосами) для сбора воды, которая стекает тонкими полосами с мощеных площадок. Некоторые биозаболоченные участки также включают другие механизмы для дальнейшего направления и фильтрации стока, такие как дренажные и инфильтрационные траншеи.
Bioswales удаляет из сточных вод такие загрязняющие вещества, как тяжелые металлы, масло, жир и осадок. Они также охлаждают воду, нагретую во время движения по тротуару, прежде чем она достигнет естественных водоемов, где более теплая вода может нанести вред дикой природе. Их можно использовать на парковках вместо ливневых стоков, а в городских районах, где нет большого растительного покрова, они могут помочь предотвратить переполнение канализации из-за слишком большого количества осадков, попадающих прямо в канализацию.
Растительность будет варьироваться в зависимости от региона, и, к сожалению, биозаросли не идеальны для засушливого климата. Но там, где их можно поддерживать, биосвалки могут принести много пользы. В некоторых случаях они также выглядят как небольшие ландшафтные парки, которые более эстетичны, чем бетонные дренажные конструкции. Биосвалы могут даже стать убежищем для мелких форм дикой природы, таких как бабочки и птицы. Это беспроигрышный вариант для природы.
6: Гибридные автомобили
Гибридные автомобили были изобретены намного раньше, чем многие из нас думают. В конце 19-го и начале 20-го веков они конкурировали за господство с бензиновыми, электрическими и даже паровыми автомобилями. Конечно, победили автомобили, работающие только на газу. Но по мере того, как вопросы эффективности использования топлива и выбросов становились все более важными, гибриды снова появились. Новые гибридные прототипы разрабатывались, начиная с 1970-х годов, но большинство из них так и не вышли на рынок. Первым коммерчески доступным гибридом была Toyota Prius, представленная в Японии в 1997 году и в США в 2001 году. С тех пор появилось много других автомобилей.
Здесь мы имеем в виду гибридные электромобили (HEV), в которых используются двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели (также называемые мотор-генераторами) в сочетании с более экономичным расходом топлива, чем у стандартных автомобилей.
Вам все равно придется заправлять их бензином, но электродвигатель позволяет повысить эффективность использования топлива, позволяя двигателю внутреннего сгорания отключаться на холостом ходу с помощью автоматического запуска/отключения. Он также обеспечивает дополнительную мощность, когда автомобиль ускоряется или движется в гору за счет привода / помощи электродвигателя, что позволяет установить меньший и более эффективный газовый двигатель. Некоторые гибриды используют рекуперативное торможение. В то время как двигатель оказывает сопротивление трансмиссии и замедляет автомобиль, энергия от колеса вращает двигатель и вырабатывает электричество, которое сохраняется в металлгидридной (NiMH) батарее для последующего использования. Некоторые из более дорогих гибридов также могут проехать несколько миль только на электричестве, хотя другие отключатся, если у них не будет газа.
В зависимости от марки и модели гибридно-электрические автомобили могут иметь гораздо больший расход топлива, чем традиционные автомобили сравнительного размера.
5: LEED, BREEAM, Green Star и другие программы сертификации
Здания становятся экологически чистыми. По мере того, как мы стали лучше осознавать влияние наших зданий на окружающую среду и непосредственно на нас, организации разработали добровольные методы оценки воздействия на окружающую среду и эффективности зданий, домов и других подобных сооружений. К ним относятся метод экологической оценки строительного научно-исследовательского учреждения (BREEAM) и лидерство в энергетическом и экологическом проектировании (LEED). BREEAM был запущен в 1990 году BRE Trust и является доминирующим стандартом оценки в Великобритании. LEED - это стандарт США, созданный Советом по экологическому строительству США в 1998 году. появляются, как Green Star, созданная Австралийским советом по экологическому строительству (GBCA) в 2003 году, а также CASBEE в Японии и Estidama в Абу-Даби.
Оценка проводится как во время проектирования, так и после его завершения. Существующие постройки или коммерческие внутренние помещения также могут быть оценены. Стандарты могут быть адаптированы к различным регионам или типам строительства, а здания оцениваются по различным параметрам, включая энергоэффективность, эффективность использования воды, землепользование, загрязнение, отходы и качество внутренней среды.
Существование таких организаций по оценке помогает сделать экологически безопасные строительные и эксплуатационные методы общепринятыми, что особенно важно, поскольку в некоторых районах на здания, по-видимому, приходится более 20 процентов выбросов парниковых газов. Экологичность также может сократить расходы на электроэнергию, воду и другие расходы, а также улучшить здоровье людей, работающих в зданиях. В качестве дополнительного бонуса, хорошие рейтинги могут давать право зданию на налоговые льготы и другие денежные стимулы, а также могут увеличить стоимость недвижимости и арендной платы.
4: Ecosan Systems
Экосан (экологическая санитария) включает в себя различные конструкции экологически чистых туалетов или уборных, которые, как правило, требуют небольшого количества воды или вообще не требуют воды, при этом отходы изолируются таким образом, чтобы предотвратить появление запаха и болезней. Во многих случаях полученные отходы можно даже компостировать и использовать в качестве удобрения или топлива. Некоторые конструкции сразу отделяют мочу и фекалии (системы отвода мочи). Некоторые требуют покрытия отходов опилками, щелочью, песком или другим материалом для устранения запаха, удаления влаги и облегчения разложения для утилизации или компостирования. Такие системы идеально подходят для мест с дефицитом воды, так как обычно не требуют подключения к водопроводу или канализации.
Один бренд - EcoSan - был представлен в 2000 году. Это автономный туалет; поднятие крышки приводит к тому, что отходы проходят через спиральный конвейер в течение примерно 25 дней, при этом жидкие отходы испаряются и выбрасываются, а твердые отходы разрушаются с помощью биологических процессов. Сухое вещество без запаха, составляющее от 5 до 10 процентов его первоначальной массы, в конечном итоге оседает в емкости для удаления и повторного использования..
Экосан-туалет, описанный Unicef India, похож на большой флигель с бетонным бункером под каждым туалетом. В туалетах на уровне пола есть отдельные отверстия для жидкостей (которые отводятся в горшки снаружи) и твердых веществ, а также бассейн для промывочной воды и отверстие, куда пользователи могут бросить горсть извести, опилок, золы или чего-то подобного после внесения твердых отходов, чтобы помочь с разложением, снижением влажности и контролем запаха.
Существуют и другие методы изготовления туалетов Ecosan, которые различаются по цене, функциональности и сложности.
3: Ультрафиолетовое бактерицидное облучение
Ультрафиолетовое бактерицидное облучение (UVGI) очищает воду, воздух и поверхности от вредных микроорганизмов, таких как вирусы и бактерии. Солнечный свет в какой-то степени делает это естественным образом. Мы знаем, что УФ-свет повреждает нашу кожу и глаза; он также убивает или инактивирует некоторые микроорганизмы.
UVGI-системы используют концентрированный УФ-свет, чтобы делать это контролируемым образом, излучая коротковолновое ультрафиолетовое излучение-B и ультрафиолетовое-C на определенных длинах волн, а именно в бактерицидном диапазоне от 200 до 320 нанометров - часто через низкое давление ртутная лампа. Ультрафиолетовый свет повреждает клетки или ДНК пораженных микроорганизмов, убивая их или лишая возможности размножаться. Ультрафиолетовый свет в диапазоне от 320 до 400 нанометров не эффективен против микробов.
УФГИ используется в вентиляционных каналах, системах отопления и кондиционирования воздуха, а также в установках обеззараживания воздуха. Его также использовали для целых комнат, желательно, пока они не заняты или все в защитном снаряжении. Некоторые системы излучают ультрафиолетовый свет в припотолочных зонах для дезинфекции воздуха над головами людей в сочетании с механизмами вертикального потока воздуха. Наряду с UVGI можно использовать высокоэффективные воздушные фильтры для твердых частиц (HEPA) или другие типы фильтрации для удаления других загрязняющих веществ, которые УФ не убивает.
Интенсивные исследования UVGI проводились с 1930-х по 1970-е годы в больницах и школах, но, несмотря на продемонстрированную эффективность, от UVGI в основном отказались, отчасти из-за прорывов в иммунизации, достижений в области антибиотиков и опасений по поводу безопасности УФ-излучения.
Растущее распространение устойчивых к антибиотикам микробов (включая лекарственно-устойчивые штаммы туберкулеза) и страх перед биотерроризмом возродили интерес к UVGI. Чаще всего он используется для дезинфекции воды, но дезинфекция воздуха и поверхностей продолжает набирать популярность. В 2003 году Центры по контролю за заболеваниями (CDC) санкционировали его использование в больницах в сочетании с системами очистки воздуха, чтобы помочь контролировать распространение туберкулеза.
2: Агролесоводство
Агролесоводство - это одновременное управление деревьями и кустарниками с сельскохозяйственными культурами и/или домашним скотом для более эффективного, комплексного и экологически устойчивого землепользования. При правильном применении он увеличивает разнообразие продукции, сельскохозяйственное производство и качество почвы и воды, а также снижает эрозию, загрязнение и восприимчивость к суровым погодным условиям. Его также можно использовать для укрытия диких животных, защиты водоразделов и более эффективного управления выбросами углерода. Все это может принести фермерам больший доход и улучшить окружающую среду.
В зависимости от имеющихся земель и ресурсов могут применяться различные методы агролесоводства. Одним из них является выращивание в аллеях - выращивание культур рядом с рядами деревьев, таких как дуб, ясень, грецкий орех, пекан или другие ореховые деревья. Урожай и орехи можно собирать и продавать, пока деревья созревают и продолжают плодоносить. Другим является лесоводство, использующее кроны деревьев для обеспечения нужного уровня тени для таких культур, как папоротники, грибы и женьшень. Их также можно продать до того, как деревья будут готовы к сбору урожая. Третьим является создание прибрежных лесных буферов - группы деревьев, кустарников и трав высаживаются в качестве буфера для предотвращения загрязнения и эрозии берегов и водотоков. Точно так же деревья и кустарники могут быть посажены в конфигурации, называемой ветрозащитной полосой, которая защищает посевы от повреждения ветром и эрозии и защищает животных от вреда. Ветрозащитные полосы могут увеличить опыление пчелами и предотвратить распространение снега на посевы или дороги. Другой метод агролесоводства - это лесопастбище, в котором деревья используются для укрытия скота, а также травы и другие растения, которые они едят. Во всех случаях сельскохозяйственные культуры, животные и деревья симбиотически сосуществуют вместе, и фермер может сосредоточиться на сборе всего, что готово в данный момент.
В некоторых странах правительственная политика подавляет эту практику, отчасти из-за отсутствия связи между агентствами, которые занимаются различными вопросами. Но все больше внимания уделяется агролесоводству как устойчивому методу ведения сельского хозяйства. В США Закон о фермерских хозяйствах 1990 г. привел к созданию Национального центра агролесоводства Министерства сельского хозяйства США.
1: Высотная энергия ветра от воздушных змеев
Когда мы думаем об использовании силы ветра для производства электроэнергии, большинство из нас, вероятно, думают о ветряных мельницах. Очень немногие думают, что воздушные змеи. Но стартап Makani Power, основанный в 2006 году в Сан-Франциско, работает над использованием ветряных турбин, похожих на воздушных змеев, прикрепленных к тросам, для выработки энергии ветра на больших высотах, где ветер сильнее и устойчивее, чем у нас на уровне земли. Макани, кстати, на гавайском означает ветер.
Тросы могут достигать высоты 2 000 футов (609,6 метра) над землей, и они используются как для подвески, так и для передачи энергии обратно на базу. Сами воздушные змеи имеют длину около ста футов и сделаны из углеродного волокна. У них есть четыре пропеллера и встроенные датчики и блоки GPS на крыльях, которые передают данные, которые можно использовать для оптимизации их полета. Они на самом деле летают по петлям, а не парят. И они достаточно легкие, чтобы поддерживать высоту при ветре медленнее 15 миль в час (MPH).
У турбин, как сообщается, есть потенциал генерировать в два раза больше энергии, возможно, даже больше, за половину стоимости современных наземных ветряных турбин. Затраты конкурентоспособны по сравнению со сжиганием угля и занимают меньше места, чем другие методы производства электроэнергии.
Воздушные змеи, коммерческие поставки которых ожидаются через несколько лет, скорее всего, будут использоваться вдоль береговой линии или в океане, прикрепленные к буям. Makani Power получила финансирование от Google и Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики (ARPA-E), и планируется, что она будет приобретена Google X, лабораторией, работающей над такими проектами, как Google Glass и беспилотные автомобили.
Примечание автора: 10 достижений в области экологической инженерии
Как житель этой планеты, я очень заинтересован в том, что мы можем сделать, чтобы правильно использовать и сохранять наши природные ресурсы. Отчасти потому, что это правильно, а отчасти потому, что мне нравится жить и дышать. Я также предпочитаю, чтобы моя пища, воздух и вода не были заражены болезнями и загрязняющими веществами. Мне нравится иметь чистую проточную воду, которая поступает прямо в мой дом, и рабочие ванные комнаты без вредных запахов.
Все это довольно очевидно, но как часто мы думаем о том, как было достигнуто наше нынешнее гигиеническое состояние? Я только немного подумал, прежде чем исследовать эту статью. Я благодарен за все наши современные санитарные удобства, а также за ученых и инженеров прошлого и настоящего, которые сделали их возможными. Останемся без холеры, народ!