Экологи́ческая инженери́я, прикладная дисциплина, ставящая своей задачей освоение и использование природных систем с целью достижения максимальной экологической безопасности деятельности человека и снижения риска антропогенного воздействия на окружающую среду. Опирается на научные и инженерные принципы, на базе которых реализуются модели освоения и использования природных систем, обеспечивающих достижение экологической безопасности хозяйственной деятельности человека и снижения риска антропогенного воздействия на окружающую среду. Экологическая инженерия также характеризуется как отрасль прикладной науки и техники, занимающаяся решением вопросов сохранения энергии и контроля отходов деятельности человека и животных. Включает в себя разработку инфраструктуры для водоснабжения, водоотведения, утилизации отходов, борьбы со всеми видами загрязнения, с деградацией воздушных, водных и земельных ресурсов, опирается на такие дисциплины, как химия, экология, геология, гидравлика, гидрология, микробиология, экономика и математика.

Основная задача инженеров-экологов заключается в разработке решений, позволяющих справиться с последствиями изменения окружающей среды. Проекты в области экологической инженерии включают в себя очистку и распределение питьевой воды; сбор, обработку и удаление сточных вод; контроль загрязнения воздуха и шумового загрязнения; утилизацию твёрдых бытовых и промышленных отходов; очистку мест хранения опасных отходов; подготовку экологических оценок исследований воздействия на окружающую среду. Для оценки и проектирования систем, необходимых для решения таких задач, широко используются математическое моделирование и компьютерный анализ. Функции инженеров-экологов включают прикладные исследования, планирование и управление проектами, проектирование, строительство и эксплуатацию объектов, продажу и маркетинг оборудования для контроля окружающей среды, а также обеспечение соблюдения экологических стандартов и правил.

Исторический очерк

Между 2000–4000 гг. до н. э. в Месопотамской империи, Египте и на о. Крит уже существовали дренажные системы, а в некоторых местах и внутренние санитарные сооружения. Римляне строили многочисленные акведуки для доставки воды в города и к хозяйственным центрам. Первый акведук в Риме был построен в 312 г. до н. э. К 110 г. до н. э. римские акведуки ежедневно доставляли в город сотни млн галлонов воды. Эти водные пути позволили римским городам поддерживать гораздо большее население, чем оно могли быть при использовании только природных источников воды. Известно, что в Древней Греции также строились акведуки. Самым выдающимся акведуком Геродот считал Эвпалинов тоннель на о. Самос. До появления акведука вода закачивалась в резервуар из колодца и распределялась по деревянным магистралям по районам города. Акведуки в основном строились из таких материалов, как бетон, цемент, кирпич и камень. Также строились плотины и водохранилища для подачи воды из рек или ручьёв. Появление акведуков в России связано с возведением централизованных систем водоснабжения в крупных городах. В Москве первые акведуки были сооружены в 1781–1804 гг. В США к 1830 г. вода подавалась по 12-дюймовым чугунным трубам. К 1842 г., после внедрения акведука, Нью-Йорк получал до 95 млн галлонов питьевой воды в день. По мере роста городов колодезная вода становилась всё более загрязнённой, а существующие запасы не могли удовлетворить спрос.

С древних времен канализация в основном транспортировала неочищенные отходы непосредственно в реки, океаны и водоёмы. Уже за несколько сотен лет до н. э. греки имели канализационные системы, которые отводили дождевые и сточные воды в сборные бассейны, орошавшие и удобрявшие поля. У древних римлян были подземные канализации, которые впадали в реку Тибр. Ранние сооружения, выполняющие роль канализации, обнаружены в городах индской цивилизации. В Древнем Риме был реализован грандиозный инженерный проект канализации Большая Клоака. В 2020 г. китайские археологи обнаружили самую древнюю в стране систему ливневой канализации во время раскопок в провинции Хэнань. Возраст системы оценили в 4 тыс. лет.

До середины 1960-х гг. экологическая инженерия была специализированной областью гражданского строительства и называлась санитарной инженерией. Начиная с 1950-х и 1960-х гг. экологическая инженерия выделилась в отдельную академическую дисциплину для решения возникающих экологических проблем, которые были связаны с продолжающимся ростом тяжелой промышленности.

Фильтрация воды

Фильтрация воды – это процесс водоочистки, который делает её более безопасной и пригодной для питья. Очистка и распределение питьевой воды подразумевает изменение источника воды для достижения определённого уровня качества, безопасного для потребления человеком.

Попытки создания первых фильтров для воды начались примерно 4 тыс. лет назад. В 5 в. до н. э. Гиппократ разработал концепцию пропускания воды через ткань для удаления ила и других отложений. Это изобретение использовалось вплоть до конца 1600-х гг. В середине 1700-х гг. появился водяной фильтр, состоящий из нескольких слоёв шерсти, губки и древесного угля. Первые домашние фильтры для воды появились в продаже в 1750 г. Первая водоочистная станция была построена в Шотландии в 1804 г.

В 1940-х гг. было изобретено опреснительное оборудование. В эти годы в США появились первые стандарты для питьевой воды, что привело к утверждению процессов мембранной фильтрации в 1957 г.

В 1974 г. был принят закон о безопасности питьевой воды, который проложил путь к дальнейшему совершенствованию процессов фильтрации и очистки воды.

Более современные формы экологической инженерии появились в середине 20 в., когда качество питьевой воды стало экологической проблемой и проблемой общественного здравоохранения по мере роста населения и потребностей в воде. Увеличивалось строительство очистных сооружений, в которых использовались наряду с хлором и озоном различные методы фильтрации для эффективной очистки воды. В результате этого сократились вспышки холеры и брюшного тифа. Микроорганизмы, вызывающие заболевания, в основном удалялись с помощью песчаной фильтрации и хлора в качестве дезинфицирующего средства. После того как в развитых странах были искоренены болезни, передающиеся через воду, водоподготовка перешла к очистке от химических загрязнений, вызывающих последствия для здоровья, такие как репродуктивные проблемы и неврологические расстройства.

Сбор, очистка и утилизация сточных вод

Сбор, очистка и утилизация сточных вод подразумевают удаление примесей из сточных вод до того, как они попадут в водоносные горизонты, реки и озёра. На станциях очистки сточных вод используется ряд биологических, физических и химических процессов для удаления бактерий, вредных химических веществ и других загрязнений. Например, некоторые станции используют процесс, известный как просеивание, для улавливания и удаления твёрдых частиц и осадков из неочищенных сточных вод. Другой процесс очистки заключается в использовании микробов для растворения органических веществ.

Первая современная инженерная защита окружающей среды появилась в Лондоне в середине 19 в., когда Дж. Базэлджет спроектировал первую канализационную систему. Она уменьшила количество заболеваний, таких как холера, передающихся через воду. Начиная с 1848 г. в Бостоне, штат Массачусетс, были установлены комбинированные канализационные системы, чтобы отводить антисанитарную воду и отходы в близлежащую реку или океан. Этот подход был принят другими крупными городами, в частности, из-за низкой стоимости строительства.

Современные канализационные системы оснащены очистными сооружениями, где вода обрабатывается путем фильтрации и добавления различных химикатов для дезинфекции и удаления загрязняющих веществ, прежде чем она попадает в природу.

В 21 в. были созданы различные конструкции экологически чистых туалетов, или уборных, которые не требуют большого количества воды или вообще не требуют её. Образующиеся отходы компостируются и могут использоваться в качестве удобрения или топлива. Некоторые конструкции сразу отделяют мочу от кала. Некоторые требуют покрытия отходов опилками, щёлочью, песком или другим материалом для устранения запаха, удаления влаги и разложения. Такие системы идеально подходят для мест с дефицитом воды, поскольку обычно не требуют подключения к водопроводу или канализации.

В 2000 г. на рынке был представлен автономный туалет. Система устроена так, что при поднятии крышки отходы проходят через встроенный конвейер, в котором происходит удаление жидких, а также расщепление твёрдых отходов с помощью биологических процессов. Сухие, не имеющие запаха отходы, составляющие всего 5–10 % от первоначальной массы, в конечном итоге попадают в ёмкость для повторного использования.

Борьба с загрязнением воздуха

Борьба с загрязнением воздуха включает в себя применение технологий и методов для уменьшения или устранения выбросов вредных соединений в воздух. Устройства контроля загрязнения для конкретного объекта зависят от реактивности, форм, плотности и размеров определённых загрязнителей воздуха.

С 1930 по 1970 гг. проводились активные исследования ультрафиолетового облучения. Распространение устойчивых к антибиотикам микробов и страх перед биотерроризмом привели к использованию ультрафиолетовой очистки воздуха.

В 2003 г. метод ультрафиолетового бактерицидного облучения начал использоваться в больницах в сочетании с системами очистки воздуха, чтобы помочь контролировать распространение туберкулеза. Ультрафиолетовое излучение было включено в вентиляционные каналы, системы отопления и кондиционирования воздуха для обеззараживания воздуха.

В 2022 г. в России был разработан аэромобильный комплекс для экологического мониторинга атмосферного воздуха в автоматическом режиме на высотах до 1 тыс. м. Комплекс состоит из беспилотника, гиперспектрометра, а также газового хроматографа, предназначенного для определения химического состава почв на полях. Кроме того, были разработаны проекты карбоновых полигонов и оборудования для осуществления важных экологических исследований. Это позволит разрабатывать технологии контроля почв и респирации парниковых газов, производить дистанционный учёт надземной и подземной фитомассы, контролировать ризосферу, а также создавать математические модели по первичной валовой продуктивности, обмену углекислого газа между экосистемой и атмосферой.

Переработка опасных отходов

Переработка опасных отходов включает в себя их сбор, обработку и утилизацию. Эти материалы образуются при химическом производстве и других видах промышленной деятельности. К опасным отходам относятся газы, твёрдые вещества, жидкости и шламы. Управление отходами рассматривает все материалы как единый класс, вне зависимости от состояния (жидкие, газообразные, радиоактивные). Целью является уменьшение вредного воздействия материалов на окружающую среду с помощью химических, термических, биологических и физических процессов. Распространённым термическим процессом является высокотемпературное сжигание, при котором органические отходы детоксифицируются, а затем уничтожаются. Распространённая биологическая обработка включает в себя добавление микробов, таких как генно-инженерно-модифицированные бактерии.

Примером инновационных решений в области утилизации отходов является использование электромагнитных аппаратов кипящего слоя. Активация вещества на молекулярном уровне осуществляется в аппаратах за счёт одновременного воздействия магнитного поля и механического воздействия движущихся в магнитном поле ферромагнитных частиц, что многократно ускоряет протекание физико-химических процессов. Использование электромагнитных аппаратов позволяет осуществить эффективную очистку сточных вод от нефтепродуктов, регенерацию и повторное использование отходов водоэмульсионных красок, асфальтобетонных покрытий и др., а также извлечение ценных материалов из отходов.

Технологии переработки отходов

В настоящее время в области экологической инженерии разработан целый ряд экологически безопасных и безотходных технологий переработки осадков очистных сооружений с получением различных видов продукции. К таким технологиям относятся получение добавок для производства цемента, производство органо-минеральных грунтов для использования в лесном хозяйстве, озеленения газонов и спортивных площадок, производство грунтов для использования в дорожном строительстве и для рекультивации промышленных зон, карьеров и полигонов. Объединение осадков очистных сооружений, загрязнённых грунтов, металлургических шлаков и других отходов позволяет создать искусственные грунты, соответствующие IV классу опасности (малоопасные вещества).

Российскими производителями разработаны технологии использования жидких отходов для получения альтернативного топлива. Жидкие органические отходы – такие как смеси отработанных нефтепродуктов, продукты переработки пищевой, парфюмерно-косметической, алкогольной продукции, товаров бытовой химии, смывки красок, осадки очистных сооружений физико-химической и биологической очистки сточных вод и др. – перерабатываются для получения тёмных нефтепродуктов (от печного топлива до мазута).

Мировой опыт свидетельствует, что использование отходов в производстве цемента является наиболее экологически безопасным способом их утилизации. Одновременно с решением экологических проблем обеспечивается ресурсосбережение за счёт частичной замены дорогостоящих природных ресурсов отходами производства и потребления. Добавки представляют собой смесь специально подобранных органических и неорганических компонентов. Это жидкие, вязкопластичные, порошкообразные и кусковые твёрдые вещества. Композиция нерастворима в воде, является трудногорючей и взрывобезопасна. Входящие в состав добавок компоненты делятся на 4 группы.

К первой группе относятся жидкие, вязкопластичные и твёрдые углеводородные отходы: отработанные масла, нефтешламы, нефтепродукты, негалогенированные органические растворители и др. Компоненты этой группы обладают высокой теплотворной способностью.

Вторая группа включает в себя волокнистые и сыпучие вещества (измельченная бумага, картон, древесные отходы, отходы полимерных материалов из размалывающих устройств, органические фильтры, сорбенты и др.). Они обеспечивают абсорбцию компонентов первой группы , благодаря чему формируется структура добавок, а также обеспечивается теплотворная способность добавок.

К третьей группе относятся компоненты, обеспечивающие генерацию веществ, активизирующих процесс горения. К этой группе относятся продукты переработки лекарственных средств, химнеликвидов, товаров бытовой химии и др.

Четвёртая группа включает компоненты, повышающие безопасность добавок при хранении и транспортировке. Это обеспечивает монолитность и прочность, препятствует выделению летучих компонентов при производстве и хранении. Специальная компоновка добавок для производства цемента делает их малотоксичными и трудногорючими. Они не выделяют вредных веществ при хранении и транспортировке. Изготовление добавок в основном осуществляется в виде прессованных брикетов. Все проливы из транспортного контейнера, брикетирующего пресса и другого оборудования поглощаются сорбентами (глауконий, торф и др.) и повторно используются для производства цемента. Таким образом, переработка отходов с получением добавок для производства цемента является полностью безотходной.