10 環境工学の進歩

重要なポイント

環境工学は今日では学位を取得できるものですが、この分野はその名前が付くずっと前から存在し、人類がニーズに合わせて環境を改変し始めた文明の黎明期に始まりました。これには、天然資源をどのように利用し、天然資源に影響を与えるかに科学と工学の実践を適用することが含まれます。現代の環境エンジニアは、土壌、水、大気の質を適切に管理し維持するために、汚染の削減と浄化、エネルギー消費と排出、土地侵食、水処理、廃棄物管理などの問題の解決策に取り組んでいます。彼らは、私たちが土地からより効率的に、より破壊的でなく生活できるよう支援することで、すべての人をより健康で幸せに保つよう努めています。

環境技術者はおそらく、現代世界を今日の姿にするのに貢献し、比較的安全な食料と水、呼吸可能な空気、疫病のほぼ発生していない生活環境、そしてエネルギー効率の高い燃料消費を提供し、私たちが行うほぼすべての活動に動力を供給する、影の英雄です。人類の人口は約70億人であり、その数は増え続けています。その数が増えるにつれて、この分野の重要性は増すばかりです。

私たちのほとんどが生きて元気にここまで来るのに役立つ大きなイノベーションがすでにいくつかありました。この地球の管理者たちが過去に私たちにどのようなものを提供し、将来に向けて取り組んでいるかを知るために読み続けてください。

10: 下水道

私たちは長い間、し尿のない環境で暮らすことを望んできました。その理由は、最初は悪臭のためでしたが、その後、つながりができた後は、重篤で致命的な病気の発生を防ぐためでした。下水道システムは、大量の人間の排泄物を人口密集地から遠ざけるという目的に適っており、何千年もかけて進化してきました。

西暦前 2000 年から 4000 年の間に、メソポタミア帝国 (現在のイラク)、モヘンジョ ダロ (現在のパキスタン)、エジプト、クレタ島、スコットランドのオークニー諸島にはすでに排水システムが整備されていました。屋内の衛生設備。紀元前数百年までに、ギリシャ人は雨と廃水を収集池に運び、畑を灌漑して肥料にする下水道システムを持っていました。古代ローマ人はテベレ川に注ぐ地下下水道を持っていました。

病気の発生により、下水道の出口を飲料水から遠ざける必要性が指摘され、長年にわたって多くの試行錯誤が行われました。時間が経つにつれて、私たちは下水道を維持する必要性についても学び、マンホールが誕生しました（後で説明するように、再発明されました）。ほとんどは、潮水や雨水で定期的に洗い流されるように設計されていました。

古代からほんの数十年前まで、下水道は主に生廃棄物を川、海、その他の大きな水域に直接輸送していました。現代の下水道システムはより複雑になっており、下水処理場につながっており、水はろ過やさまざまな化学物質の添加によって処理され、自然に還す前に消毒や汚染物質の除去が行われます。そして間違いなく、彼らは進化し続けるでしょう。

9: 水道橋

私たちが生きるためには水が必要なので、多くの古代文明が天然の水源を中心に誕生したのは偶然ではありません。しかし、古代ギリシャ人とローマ人は、水道橋の発明によって自然を妨害する、少なくとも方向を変える方法を見つけました。水道橋は、ある場所から別の場所に大量の水を輸送するために使用され、時には 60 マイル (96.6 キロメートル) もの長距離を輸送しました。彼らは重力を利用して、着実に下降する傾斜に建設された人工の導管を通って水を下り坂に移動させました。

水道橋は主にコンクリート、セメント、レンガ、石などの材料で作られていました。多くの場合、それらは丘陵地帯の泉から発生しますが、川や小川からそれらを養うためにダムや貯水池も建設されました。水道橋というと、アーチで支えられた地上の石橋が思い浮かびます。しかし、水道はまた、さまざまな地形を横切る水の移動を容易にするために、より短い壁、覆われた地上の溝、地下トンネルとパイプで構成されていました。

水道橋の目的地はカステルムと呼ばれる配水タンクで、通常は市内の高い場所にありました。それは水を小さなカステラに送り、そこから石積みの導管やパイプを通って噴水、浴場、公共の水飲み場、そして時には個人の家に水を供給しました。

ローマの最初の水道橋は紀元前 312 年に建設されました。西暦 109 年頃にトラヤヌス帝によってアクア トライアナが建設されるまでに、ローマの水道橋は毎日数億ガロンの水を市内にもたらしました。これらの水路のおかげで、ローマの都市は天然の水源だけで養えるよりもはるかに多くの人口を養うことができました。

8: 生物濾過システム

生物濾過は、臭気や汚染物質を除去するために、微生物を含む多孔質の湿った材料に空気または水を通過させるプロセスです。汚染物質は、他の良性バイオマス生成物とともに、水や二酸化炭素などの塩基性化合物に分解され、すべて微生物の代謝プロセスの副産物として生成されます。生物濾過システムは、廃水や産業ガス排出物、堆肥化作業からの排出物などの処理に使用されます。 1950 年代から有害な臭気を除去するために使用されてきましたが、現在では産業汚染物質の除去にも広く使用されています。

さまざまな細菌株を水分、pH、温度制御とともに使用して、さまざまな対象汚染物質を効果的に分解できます。従来のフィルターとは異なり、バイオフィルターは有害物質を単に濾過するのではなく破壊しますが、生分解性の汚染物質に対してのみ機能します。生物濾過は主に、燃料生成炭化水素や特定の種類の揮発性有機化合物(VOC) などの有毒排出物を破壊するために使用されます。

VOC は、塗料、清掃用品、化粧品、燃料など、有機化学物質を含むさまざまな製品の製造中に生成および放出されます。これらは技術的には炭素化合物であり、太陽光にさらされると大気中の酸素含有分子と反応し、オゾンを含むスモッグの形成につながります。

7: ビオスウェールズ

バイオスウェールは、草、花、木、その他の植物で構成される植生パッチで、雨水の流出を吸収し、汚染物質が処理されずに近くの水域や下水道に流れ込む前に、汚染物質を分解または除去するのに役立ちます。バイオスウェールは、水の流れを導き、濾過する水路を形成するために使用できます。また、舗装されたエリアから薄いシート状に流れてくる水をキャッチするために、ストリップ（生物濾過ストリップまたはフィルターストリップと呼ばれることもあります）に配置することもできます。一部の生物湿地には、暗渠や浸透溝など、流出水をさらに誘導し濾過するための他の機構も含まれています。

生物沼地は、重金属、油、グリース、堆積物などの汚染物質を流出水から除去します。また、歩道を移動中に加熱された水を、自然の水域に到達する前に冷却します。自然水域では、より温かい水が野生生物に害を及ぼす可能性があります。これらは雨水管の代わりに駐車場で使用でき、植物に覆われていない都市部では、下水管に直接流れ込む多量の雨による下水道の氾濫を防ぐのに役立ちます。

植生は地域によって異なりますが、残念ながらビオスウェールは乾燥気候には理想的ではありません。しかし、彼らをサポートできる場所では、バイオスウェールズは多くの利益をもたらすことができます。また、場合によっては小さな手入れの行き届いた公園のように見え、コンクリートの排水構造物よりも審美的に美しいです。ビオズウェールでは、蝶や鳥などの小さな野生動物を保護することになる場合もあります。それらは自然にとって双方に利益をもたらします。

6: ハイブリッド車

ハイブリッドカーは、私たちの想像よりはるかに早く発明されました。 19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、ガソリン車、電気自動車、さらには蒸気機関車と並んで優位性を競い合いました。もちろん、ガソリン車が勝利を収めました。しかし、燃料効率と排出ガスの問題がますます重要になるにつれ、ハイブリッドが再び台頭してきました。新しいハイブリッドのプロトタイプは 1970 年代から開発されましたが、ほとんどが市場に投入されることはありませんでした。最初の市販ハイブリッドは、1997 年に日本で、2001 年に米国で導入されたトヨタ プリウスでした。その後、さらに多くのハイブリッドが登場しました。

ここで言うハイブリッド電気自動車(HEV) は、燃焼エンジンと電気モーター (モーター ジェネレーターとも呼ばれる) を組み合わせて使用​​し、標準的な自動車よりも優れた燃費を実現します。

ガソリンを満タンにする必要がありますが、電気モーターは自動始動/停止機能を介してアイドリング中に内燃機関を停止できるため、燃費の向上につながります。また、車の加速中や登坂中に電気モーターの駆動/アシストにより追加のパワーを提供するため、より小型で効率の良いガスエンジンの搭載が可能になります。一部のハイブリッドでは回生ブレーキが使用されます。モーターがドライブトレインに抵抗を加えて車を減速させている間、ホイールからのエネルギーがモーターを回転させて電気を生成し、後で使用するために金属水素化物 (NiMH) バッテリーに蓄えられます。より高価なハイブリッド車の中には、電気のみのモードで数マイル走行できるものもありますが、ガソリンがなくなると停止してしまうものもあります。

メーカーやモデルによっては、ハイブリッド電気自動車は、比較的サイズの従来の自動車よりもはるかに優れた燃費を実現できます。

5: LEED、BREEAM、Green Star、その他の認定プログラム

建物は確実にグリーン化されつつあります。建物が環境や私たちに直接与える影響を私たちがより意識するようになるにつれ、各組織は建物、住宅、その他の同様の構造物の環境への影響と効率を評価する自主的な方法を開発しました。これらには、建築研究施設環境評価法 (BREEAM) およびエネルギーおよび環境設計におけるリーダーシップ ( LEED ) が含まれます。 BREEAM は 1990 年に BRE Trust によって開始され、英国で主要な評価基準となっています。 LEED は、1998 年に米国グリーンビルディング評議会によって作成された米国の標準です。 現在、BREEAM と LEED は世界中で最も一般的に使用されている手法ですが、その他の手法も使用されています。 2003年にオーストラリアグリーンビルディング評議会（GBCA）によって設立されたGreen Starのほか、日本のCASBEEやアブダビのEstidamaなど、さまざまなサービスが次々と誕生している。

評価は設計中と完成後の両方で行われます。既存の構造物や商業用の室内空間も評価できます。この基準はさまざまな地域や建築の種類に合わせて調整でき、建物はエネルギー効率、水効率、土地利用、汚染、廃棄物、室内環境の質など、さまざまな項目で評価されます。

このような評価機関の存在は、環境に配慮した建設と運営慣行を主流にするのに役立ちます。これは、一部の地域では明らかに温室効果ガス排出量の 20 パーセント以上を建築物が占めているため、これは特に重要です 。グリーン化は、エネルギー、水、その他のコストを削減し、構造物で働く人々の健康を改善することもできます。追加のボーナスとして、評価が高ければ建物が税金の還付やその他の金銭的インセンティブの対象となる可能性があり、不動産や賃貸の価値が高まる可能性があります。

4: エコサンシステム

Ecosan (生態衛生) システムには、臭気や病気を防ぐ方法で廃棄物を隔離しながら、一般に水をほとんどまたはまったく必要としない環境に優しいトイレやトイレのさまざまな設計が含まれます。多くの場合、結果として生じる廃棄物は堆肥化され、肥料や燃料として使用することもできます。一部の設計では、尿と便を即座に分離します (尿分流システム)。臭いを消し、湿気を取り除き、廃棄または堆肥化のための分解を助けるために、おがくず、灰汁、砂、またはその他の物質で廃棄物を覆う必要がある場合もあります。このようなシステムは通常、配管や下水道システムに接続する必要がないため、水が不足している場所に最適です。

EcoSan というブランドは 2000 年に導入されました。これは独立型トイレです。蓋を開けると、廃棄物が 25 日ほどかけてコイル状のコンベアを通過し、その間ずっと液体廃棄物が蒸発して排出され、生物学的プロセスを使用して固形廃棄物が分解されます。乾燥した無臭の物質は、最終的には元の質量の 5 ～ 10 パーセントだけが除去および再利用のために容器に堆積されます。

インドのユニセフが説明するエコサントイレは、各トイレの下にコンクリートのバンカーがある大きな屋外小屋に似ています。床レベルのトイレには、液体（屋外のポットに流される）と固形物用の別々の穴があり、さらに洗浄用の水盤と、固形廃棄物を堆積した後に利用者が一握りの石灰、おがくず、灰、または同様のものを落とすための穴があります。分解、湿気の減少、臭気の制御を行います。

価格、機能、複雑さが異なるエコサントイレの工法や製品は他にもあります。

3: 紫外線殺菌照射

紫外線殺菌照射 (UVGI) は、水、空気、表面からウイルスや細菌などの有害な微生物を除去します。日光はこれをある程度自然に行います。紫外線が私たちの肌や目にダメージを与えることはわかっています。また、一部の微生物を死滅または不活化します。

UVGI システムは、制御された方法でこれを行うために集中した UV 光を使用し、特定の波長、つまり 200 ～ 320 ナノメートルの殺菌範囲の短波紫外線 B および紫外線 C 放射を、多くの場合、低圧水銀ランプを介して放射します。紫外線は影響を受けた微生物の細胞や DNA に損傷を与え、微生物を死滅させるか複製できなくします。 320 ～ 400 ナノメートルの範囲の紫外線は細菌に対して効果がありません。

UVGI は、換気ダクト、暖房および空調システム、空気消毒ユニットに組み込まれています。また、できれば部屋に人がいないとき、または全員が防護服を着ているときに、部屋全体で使用されることもあります。一部のシステムは、垂直気流機構と連動して天井近くのエリアに UV 光を放射し、人の頭上の空気を消毒します。高効率微粒子空気 (HEPA) フィルターまたは他のタイプの濾過を UVGI と併用して、UV では除去できない他の汚染物質を除去できます。

UVGI に関する大規模な研究は 1930 年代から 1970 年代にかけて病院や学校で行われましたが、その有効性が実証されていたにもかかわらず、予防接種の画期的な進歩、抗生物質の進歩、紫外線に対する安全性への懸念などもあり、UVGI はほとんど放棄されました。

抗生物質耐性菌（結核の薬剤耐性株を含む）の蔓延とバイオテロの恐怖により、UVGI への関心が新たになっています。これは水の消毒に最も一般的に受け入れられていますが、空気および表面の消毒の使用も普及し続けています。 2003 年、疾病管理センター (CDC) は、結核の蔓延を抑制する目的で、病院内での空気清浄システムと併用することを認可しました。

2: アグロフォレストリー

アグロフォレストリーは、より効率的で総合的かつ環境的に持続可能な土地利用を目的として、樹木や低木と作物や家畜を同時に管理することです。適切に適用されると、製品の多様性、農業生産、土壌と水の質が向上し、浸食、汚染、厳しい気象条件への影響が軽減されます。また、野生動物を保護し、流域を保護し、炭素排出をより効果的に管理するためにも使用できます。これらすべてを合計すると、農家の収入が増加し、環境が改善されます。

利用可能な土地と資源に応じて、さまざまなアグロフォレストリー手法を使用できます。 1 つは路地作物、つまりオーク、トネリ、クルミ、ピーカン、その他のナッツの木などの木の列に沿って作物を栽培することです。木が成長してナッツを生産し続ける間、作物やナッツは収穫して販売することができます。もう 1 つは森林農業で、樹冠を利用してシダ、キノコ、高麗人参などの作物に適切なレベルの日陰を提供します。これらは、木が収穫の準備が整う前に販売することもできます。 3 つ目は、河岸森林緩衝地帯の創設です。汚染や堤防や水路の浸食を防ぐ緩衝地帯として、樹木、低木、草のグループが植えられます。同様に、作物を風の被害や浸食から守り、動物を危害から守る防風林と呼ばれる構成で樹木や低木を植えることもできます。防風林はミツバチの受粉を促進し、作物や道路への雪の広がりを管理します。もう一つのアグロフォレストリー手法はシルボパスチャーであり、木を使って家畜や家畜が食べる草やその他の植物を保護します。いずれの場合も、作物、動物、樹木が共生しており、農家はその時点で準備ができているものを収穫することに集中できます。

一部の国では、関連するさまざまな項目を扱う機関間の断絶が一部の原因として、政府の政策によってこうした慣行が抑圧されている。しかし、持続可能な農法としてアグロフォレストリーへの注目が高まっています。米国では、1990 年の農業法案により USDA 国立アグロフォレストリー センターが創設されました。

1: 凧による高高度風力エネルギー

風の力を利用して電力を供給することを考えるとき、ほとんどの人はおそらく風車を思い浮かべるのではないでしょうか。凧を考える人はほとんどいません。しかし、2006年に設立されたマカニ・パワーと呼ばれるサンフランシスコ地域の新興企業は、テザーに取り付けられた凧のような風力タービンを使用して、地上よりも強く安定した風が吹く高地で風力発電を行うことに取り組んでいる。ちなみにマカニとはハワイ語で風を意味します。

テザーは地上 2,000 フィート (609.6 メートル) まで到達することができ、吊り下げ方法であると同時に基地に電力を送り返す方法でもあります。凧自体の長さは約100フィートで、カーボンファイバーで作られています。 4 つのプロペラがあり、翼には飛行を最適化するために使用できるデータを送信するセンサーと GPS ユニットが組み込まれています。実際にはホバリングではなく、ループ状に飛行します。また、時速 15 マイル (MPH) より遅い風でも高度を維持できるほど軽いです。

このタービンは、現代の地上風力タービンの半分のコストで、2 倍、おそらくはそれ以上の電力を生成する可能性があると伝えられています。コストは石炭燃焼のコストに匹敵し、他の発電方法よりも占有スペースが小さくなります。

この凧は、商業化にはまだ数年かかるが、海岸線沿いや海上のブイに取り付けて使用される可能性が高い。マカニパワーはグーグルとエネルギー省高等研究計画局（ARPA-E）から資金提供を受けており、グーグルグラスや自動運転車などのプロジェクトに取り組む研究所「グーグルＸ」に買収される予定だ。

著者のメモ: 環境工学における 10 の進歩

この地球の住人として、私は天然資源を適切に使用し、保護するために何ができるかに非常に興味があります。それは部分的にはそれが正しいことだからであり、部分的には私が生きて呼吸するのが好きだからです。また、病気や汚染物質に汚染されていない食べ物、空気、水も好みます。私は、家に直接入ってくるきれいな水道と、有害な臭いのないバスルーム設備が嬉しいです。

これはすべて非常に明白なことですが、私たちの現在の衛生状態がどのようにして達成されたのかをどのくらい頻繁に考えているでしょうか?この記事を調査する前に、私はそれについてほとんど考えていませんでした。私は現代の衛生設備のすべてと、それを可能にした過去と現在の科学者や技術者に感謝しています。皆さん、コレラのない生活を送りましょう！