10 Fortschritte in der Umwelttechnik

Umweltingenieurwesen ist etwas, das man heutzutage absolvieren kann, aber das Gebiet existierte schon lange, bevor es einen Namen hatte, und begann zu Beginn der Zivilisation, als wir begannen, unsere Umwelt an unsere Bedürfnisse anzupassen. Es beinhaltet die Anwendung wissenschaftlicher und technischer Praktiken darauf, wie wir unsere natürlichen Ressourcen nutzen und beeinflussen. Moderne Umweltingenieure arbeiten an Lösungen für Probleme wie die Verringerung und Beseitigung von Umweltverschmutzung , Energieverbrauch und Emissionen, Bodenerosion, Wasseraufbereitung und Abfallwirtschaft, um die Qualität unseres Bodens, Wassers und unserer Luft richtig zu verwalten und zu erhalten. Sie streben danach, alle gesünder und glücklicher zu halten, indem sie uns helfen, effizienter und weniger destruktiv von der Erde zu leben.

Umweltingenieure sind vielleicht unbesungene Helden, die dazu beigetragen haben, die moderne Welt zu dem zu machen, was sie heute ist, mit relativ sicheren Lebensmitteln und Wasser, atembarer Luft, weitgehend seuchenfreien Lebensumgebungen und energieeffizientem Kraftstoffverbrauch, um so ziemlich alles, was wir tun, mit Energie zu versorgen. Die menschliche Bevölkerung beträgt rund 7 Milliarden, Tendenz steigend. Das Feld wird nur an Bedeutung gewinnen, wenn diese Zahl wächst.

Es gab bereits einige wichtige Innovationen, die dazu beigetragen haben, dass die meisten von uns an diesem Punkt lebendig und gesund wurden. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, was diese Verwalter der Erde in der Vergangenheit für uns bereitgestellt haben und woran sie für die Zukunft arbeiten.

1. Kanalisation
2. Aquädukte
3. Biofiltrationssysteme
4. Bioswales
5. Hybridfahrzeuge
6. LEED, BREEAM, Green Star und andere Zertifizierungsprogramme
7. Ecosan-Systeme
8. Ultraviolette keimtötende Bestrahlung
9. Agroforstwirtschaft
10. Höhenwindenergie aus Drachen

Wir haben uns lange gewünscht, in einer Umgebung frei von menschlichem Abfall zu leben, zunächst wegen des üblen Geruchs und später, als wir die Verbindung hergestellt hatten, um schwere und tödliche Krankheitsausbrüche zu verhindern. Kanalisationssysteme erfüllen die Rechnung, indem sie große Mengen menschlicher Exkremente aus besiedelten Gebieten transportieren, und sie haben sich seit Tausenden von Jahren weiterentwickelt.

Zwischen 2000 und 4000 v. Chr. verfügten das Mesopotamische Reich (heutiges Irak), Mohenjo-Daro (heutiges Pakistan), Ägypten, die Insel Kreta und die Orkney-Inseln in Schottland bereits über Entwässerungssysteme – und in einigen Fällen sanitäre Einrichtungen im Innenbereich. Um einige hundert Jahre v. Chr. hatten die Griechen Kanalisationssysteme, die Regen- und Abwasser zu Sammelbecken transportierten, die Felder bewässerten und düngten. Die alten Römer hatten unterirdische Abwasserkanäle, die in den Tiber mündeten.

Im Laufe der Jahre gab es viel Versuch und Irrtum, wobei Krankheitsausbrüche darauf hinwiesen, dass Abwasserauslässe vom Trinkwasser ferngehalten werden müssen. Im Laufe der Zeit erfuhren wir auch von der Notwendigkeit, die Kanalisation zu warten, und der Schacht war geboren (oder neu erfunden, wie wir später sehen werden). Die meisten wurden auch so konstruiert, dass sie regelmäßig mit Gezeiten- oder Regenwasser ausgespült werden.

Von der Antike bis vor wenigen Jahrzehnten transportierten Kanalisationen Rohabfälle hauptsächlich direkt in Flüsse, Ozeane oder andere große Gewässer. Moderne Abwassersysteme sind komplexer und führen zu Kläranlagen, in denen das Wasser durch Filtration und Zugabe verschiedener Chemikalien behandelt wird, um Verunreinigungen zu desinfizieren und zu entfernen, bevor es der Natur wieder zugeführt wird. Und zweifellos werden sie sich weiterentwickeln.

Wir brauchen Wasser zum Leben, daher ist es kein Zufall, dass viele alte Zivilisationen um natürliche Wasserquellen herum entstanden sind. Aber die alten Griechen und Römer fanden mit der Erfindung von Aquädukten einen Weg, die Natur zu durchkreuzen oder zumindest abzulenken. Aquädukte wurden verwendet, um große Wassermengen von einem Ort zum anderen zu transportieren, manchmal über bis zu 60 Meilen (96,6 Kilometer). Sie nutzten die Schwerkraft, um Wasser durch künstliche Leitungen, die mit einer stetig abfallenden Neigung konstruiert wurden, bergab zu befördern.

Die Aquädukte bestanden hauptsächlich aus Materialien wie Beton, Zement, Ziegel und Stein. Sie stammten oft aus Quellen in hügeligen Gebieten, aber es wurden auch Dämme und Stauseen gebaut, um sie aus Flüssen oder Bächen zu speisen. Wenn wir an Aquädukte denken, kommen uns die Arkaden oder oberirdischen Steinbrücken in den Sinn, die von Bögen getragen werden. Aber die Aquädukte bestanden auch aus kürzeren Mauern, bedeckten bodennahen Gräben, unterirdischen Tunneln und Rohren, um die Reise des Wassers durch eine Vielzahl von Landschaften zu erleichtern.

Das Ziel eines Aquädukts war ein Verteilungstank namens Castellum, der sich normalerweise an einem hohen Punkt in der Stadt befand. Es schickte Wasser zu kleineren Castella, von wo es über gemauerte Leitungen oder Rohre floss, um Brunnen, Bäder, öffentliche Trinkbecken und manchmal sogar Privathäuser zu speisen.

Roms erster Aquädukt wurde 312 v. Chr. gebaut. Zum Zeitpunkt des Baus der Aqua Traiana durch Kaiser Trajan um 109 n. Chr. brachten die römischen Aquädukte täglich Hunderte Millionen Gallonen Wasser in die Stadt. Diese Wasserstraßen ermöglichten es den römischen Städten, viel größere Bevölkerungsgruppen zu ernähren, als dies mit natürlichen Wasserquellen allein möglich gewesen wäre.

Biofiltration ist der Vorgang, bei dem Luft oder Wasser durch ein poröses, feuchtes Material geleitet wird, das Mikroorganismen enthält, um Gerüche und Verunreinigungen zu entfernen. Die Verunreinigungen werden zusammen mit anderen gutartigen Biomasseprodukten als Nebenprodukte der Stoffwechselprozesse der Mikroben zu Grundverbindungen wie Wasser oder Kohlendioxid abgebaut . Biofiltrationssysteme werden unter anderem zur Behandlung von Abwasser und industriellen Gasemissionen sowie von Emissionen aus Kompostierungsvorgängen verwendet. Sie werden seit den 1950er Jahren zur Entfernung schädlicher Gerüche verwendet, finden aber jetzt auch eine weit verbreitete Verwendung zur Entfernung industrieller Verunreinigungen.

Verschiedene Bakterienstämme können zusammen mit Feuchtigkeits-, pH- und Temperaturkontrolle verwendet werden, um verschiedene Zielkontaminanten effektiv abzubauen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Filtern zerstören Biofilter Schadstoffe, anstatt sie nur herauszufiltern, aber sie können nur mit biologisch abbaubaren Schadstoffen arbeiten. Die Biofiltration wird hauptsächlich verwendet, um toxische Emissionen wie durch Kraftstoff erzeugte Kohlenwasserstoffe und bestimmte Arten flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) zu zerstören.

VOCs entstehen und werden während der Produktion einer Vielzahl von Produkten freigesetzt, die organische Chemikalien enthalten, darunter Farben, Reinigungsmittel, Kosmetika und Kraftstoffe. Sie sind technisch Kohlenstoffverbindungen, die bei Sonneneinstrahlung mit sauerstoffhaltigen Molekülen in der Atmosphäre reagieren und zur Bildung von ozonhaltigem Smog führen.

Bioswales sind Vegetationsflecken aus Gras, Blumen, Bäumen oder anderen Pflanzen, die Regenwasserabfluss absorbieren und dabei helfen, Schadstoffe abzubauen oder zu entfernen, bevor sie unbehandelt in nahe gelegene Gewässer oder in die Kanalisation fließen. Bioswales können verwendet werden, um Kanäle zu bilden, die den Wasserfluss lenken und filtern, oder sie können in Streifen (manchmal als Biofiltrationsstreifen oder Filterstreifen bezeichnet) platziert werden, um Wasser aufzufangen, das in dünnen Schichten von gepflasterten Bereichen überfließt. Einige Bioswales enthalten auch andere Mechanismen, um den Abfluss weiter zu leiten und zu filtern, wie z. B. Unterentwässerungen und Infiltrationsgräben.

Bioswales entfernen Verunreinigungen wie Schwermetalle, Öl, Fett und Sedimente aus dem Abfluss. Sie kühlen auch Wasser, das sich auf dem Weg über den Bürgersteig erwärmt hat, bevor es natürliche Gewässer erreicht, wo wärmeres Wasser Wildtieren schaden könnte . Sie können auf Parkplätzen anstelle von Gullys verwendet werden, und in städtischen Gebieten mit wenig Pflanzenbewuchs können sie dazu beitragen, dass die Kanalisation nicht überläuft, weil zu viel Regen direkt in den Abfluss fließt.

Die Vegetation variiert je nach Region, und leider sind Bioswales nicht ideal für trockenes Klima. Aber an Orten, die sie unterstützen können, können Bioswales viel Gutes tun. Sie sehen in einigen Fällen auch wie kleine Landschaftsparks aus, die ästhetisch ansprechender sind als konkrete Entwässerungsstrukturen. Bioswales können sogar kleine Arten von Wildtieren wie Schmetterlinge und Vögel beherbergen. Sie sind eine Win-Win-Situation für die Natur.

Hybridautos wurden viel früher erfunden, als die meisten von uns glauben. Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert konkurrierten sie neben Gas-, Elektro- und sogar Dampfautos um die Vorherrschaft. Natürlich gewannen reine Gasfahrzeuge den Tag. Aber als Fragen der Kraftstoffeffizienz und Emissionen immer wichtiger wurden, tauchten Hybride wieder auf. Neuere Hybrid-Prototypen wurden ab den 1970er Jahren entwickelt, aber die meisten schafften es nie auf den Markt. Der erste im Handel erhältliche Hybrid war der Toyota Prius, der 1997 in Japan und 2001 in den USA eingeführt wurde. Seitdem sind viele weitere auf den Markt gekommen.

Wir beziehen uns hier auf Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), die Verbrennungsmotoren und Elektromotoren (auch als Motorgeneratoren bezeichnet) in Verbindung verwenden, um einen besseren Kraftstoffverbrauch als Standardautos zu erreichen.

Sie müssen zwar immer noch Benzin tanken, aber der Elektromotor führt zu Kraftstoffeinsparungen, indem er den Verbrennungsmotor im Leerlauf per Start-/Abschaltautomatik abschalten lässt. Es bietet auch zusätzliche Leistung, während das Auto beschleunigt oder bergauf fährt, durch Elektromotorantrieb / -unterstützung, wodurch der Einbau eines kleineren, effizienteren Benzinmotors ermöglicht wird. Einige Hybride verwenden regeneratives Bremsen. Während der Motor Widerstand auf den Antriebsstrang ausübt und das Auto verlangsamt, dreht die Energie des Rads den Motor und erzeugt Strom, der in der Metallhydridbatterie (NiMH) zur späteren Verwendung gespeichert wird. Einige der teureren Hybriden können auch ein paar Kilometer lang im reinen Elektromodus betrieben werden, obwohl andere abschalten, wenn sie kein Benzin haben.

Je nach Marke und Modell können Hybrid-Elektroautos einen weitaus besseren Kraftstoffverbrauch erzielen als vergleichbar große herkömmliche Fahrzeuge.

Gebäude werden nachweislich grün. Da wir uns der Auswirkungen unserer Gebäude auf die Umwelt und direkt auf uns bewusster geworden sind, haben Organisationen freiwillige Methoden zur Bewertung der Umweltauswirkungen und der Effizienz von Gebäuden, Häusern und anderen ähnlichen Strukturen entwickelt. Dazu gehören die Building Research Establishment Environmental Assessment Method (BREEAM) und Leadership in Energy and Environmental Design ( LEED). BREEAM wurde 1990 vom BRE Trust ins Leben gerufen und war der vorherrschende Bewertungsstandard in Großbritannien. LEED ist ein US-Standard, der 1998 vom US Green Building Council erstellt wurde. BREEAM und LEED sind derzeit die weltweit am häufigsten verwendeten Methoden, aber auch andere entstehen, wie Green Star – gegründet vom Green Building Council of Australia (GBCA) im Jahr 2003 – sowie CASBEE in Japan und Estidama in Abu Dhabi.

Bewertungen finden sowohl während des Entwurfs als auch nach der Fertigstellung statt. Auch Bestandsbauten oder gewerbliche Innenräume können bewertet werden. Die Standards können auf verschiedene Regionen oder Bauarten zugeschnitten werden, und Gebäude werden nach verschiedenen Aspekten bewertet, darunter Energieeffizienz, Wassereffizienz, Landnutzung, Umweltverschmutzung, Abfall und Raumklimaqualität.

The existence of such assessment entities helps to bring environmentally friendly construction and operational practices into the mainstream, which is especially important since buildings apparently contribute more than 20 percent of greenhouse gas emissions in some areas [source: HVN Plus]. Going green can also cut down on energy, water and other costs and improve the health of people working in the structures. As an added bonus, good ratings might qualify a building for tax rebates and other monetary incentives, and may increase property and rental values.

Ecosan (ecological sanitation) systems include various designs of environmentally friendly toilets or latrines that generally require little or no water, while isolating waste in a way that prevents odor and disease. In many cases, the resulting waste can even be composted and used as fertilizer or fuel. Some designs immediately separate the urine and feces (urine diversion systems). Some require covering the waste with sawdust, lye, sand or other material to eliminate odor, remove moisture and assist with decomposition for disposal or composting. Such systems are ideal for places where water is scarce, since they usually require no connection to a plumbing or sewer system.

One brand -- EcoSan -- was introduced in 2000. It's a stand-alone toilet; lifting the lid causes waste to make its way through a coiled conveyor over 25 or so days, all the while evaporating and venting the liquid waste and breaking down the solid waste using biological processes. Dry, odorless matter only 5 to 10 percent of its original mass is eventually deposited into a receptacle for removal and repurposing.

An ecosan toilet described by Unicef India is similar to a large outhouse with a concrete bunker underneath each toilet. The floor-level toilets have separate holes for liquids (which are diverted to pots outside) and solids, plus a cleansing water basin and a hole for users to drop a handful of lime, sawdust, ash or something similar after depositing solid waste to help with decomposition, moisture reduction and odor control.

There are other ecosan toilet construction methods and products that vary in price, functionality and complexity.

Ultraviolette keimtötende Bestrahlung (UVGI) befreit Wasser, Luft und Oberflächen von schädlichen Mikroorganismen wie Viren und Bakterien. Sonnenlicht tut dies bis zu einem gewissen Grad auf natürliche Weise. Wir wissen, dass UV-Licht unsere Haut und Augen schädigt; es tötet oder inaktiviert auch einige Mikroorganismen.

UVGI-Systeme nutzen dazu gezielt konzentriertes UV-Licht, das kurzwellige Ultraviolett-B- und Ultraviolett-C-Strahlung bei bestimmten Wellenlängen, nämlich im keimtötenden Bereich zwischen 200 und 320 Nanometern aussendet – oft über eine Quecksilber-Niederdrucklampe. Das UV-Licht schädigt die Zellen oder die DNA der betroffenen Mikroorganismen , tötet sie ab oder macht sie replikationsunfähig. UV-Licht im höheren Bereich von 320 bis 400 Nanometer ist gegen Keime nicht wirksam.

UVGI has been incorporated into ventilation ducts, heating and air conditioning systems and air disinfection units. It has also been used on entire rooms, preferably while they are unoccupied or everyone is in protective gear. Some systems emit UV light in near-ceiling areas to disinfect the air above peoples' heads in conjunction with vertical airflow mechanisms. High-efficiency particulate air (HEPA) filters or other types of filtration can be used alongside UVGI to remove other contaminants that UV won't kill.

Heavy research on UVGI was done from the 1930s through the 1970s in hospitals and schools, but despite its demonstrated efficacy, UVGI was mostly abandoned, in part due to breakthroughs in immunization, antibiotics advancements and safety concerns about UV radiation.

The increasing prevalence of antibiotic-resistant germs (including drug-resistant strains of tuberculosis) and fear of bioterrorism has renewed interest in UVGI. It's most commonly accepted for water disinfection, but air and surface disinfection uses continue to gain ground. In 2003, the Centers for Disease Control (CDC) sanctioned its use in hospitals in conjunction with air cleaning systems to help control the spread of TB.

Agroforestry is the simultaneous management of trees and shrubs with crops and/or livestock for more efficient, integrated and environmentally sustainable land use. Applied properly, it increases product diversity, agricultural production and soil and water quality and decreases erosion, pollution and susceptibility to harsh weather conditions. It can also be used to shelter wildlife, protect watersheds and manage carbon emissions more effectively. All of these can add up to greater income for farmers and a better environment.

Various agroforestry methods can be employed depending upon the available land and resources. One is alley cropping -- growing crops alongside rows of trees like oak, ash, walnut, pecan or other nut trees. The crops and nuts can be harvested and sold while the trees mature and continue to produce nuts. Another is forest farming, using canopies of trees to provide the right level of shade for crops like ferns, mushrooms and ginseng. These can also be sold before the trees are ready for harvesting. A third is the creation of riparian forest buffers -- groups of trees, shrubs and grasses are planted as a buffer to prevent pollution and erosion of banks and waterways. Similarly, trees and shrubs can be planted in configurations called windbreaks that shield crops from wind damage and erosion and protect animals from harm. Windbreaks can increase bee pollination and manage the spread of snow over crops or roads. Another agroforestry method is silvopasture, using trees to shelter livestock and the grasses and other plants they eat. In all cases, crops, animals and trees symbiotically coexist together, and the farmer can concentrate on harvesting whatever is ready at the time.

In some countries, governmental policies stifle these practices, partially because of disconnects between the agencies that deal with the different items involved. But there's increasing attention being given to agroforestry as a sustainable farming method. In the U.S., the 1990 Farm Bill led to the creation of the USDA National Agroforestry Center.

When we think of harnessing the power of wind to provide electricity, most of us probably think of windmills. Very few think kites. But a San Francisco-area start-up founded in 2006 called Makani Power has been working on using kite-like wind turbines attached to tethers to generate wind power at high altitudes, where there are stronger and steadier winds than we have at ground level. Makani means wind in Hawaiian, incidentally.

The tethers can reach up to 2,000 feet (609.6 meters) above ground, and they're both the suspension method and the method for transmitting power back to the base. The kites themselves are around one hundred feet long and made of carbon fiber. They have four propellers and incorporate sensors and GPS units on the wings that transmit data that can be used to optimize their flight. They actually fly in loops rather than hover. And they are light enough to maintain altitude in winds slower than 15 miles per hour (MPH).

The turbines reportedly have the potential to generate twice as much power, perhaps even more, at half the cost of modern ground-level wind turbines. The costs are competitive with that of coal burning , and take up less space than other power generation methods.

The kites -- still a few years away from commercial availability -- are likely to be used along shorelines, or in the ocean attached to buoys. Makani Power has received funding from Google and the Advanced Research Projects Agency for the Department of Energy (ARPA-E), and it is slated to be acquired by Google X, the laboratory working on projects like Google Glass and self-driving cars.

Author's Note: 10 Advancements in Environmental Engineering

As an inhabitant of this planet, I'm very interested in what we can do to properly use and conserve our natural resources. Partially because it's the right thing to do, and partially because I like living and breathing. I also prefer my food, air and water uncontaminated by disease and pollutants. I love having clean running water that comes straight into my house and working bathroom facilities free of noxious odors.

This is all pretty obvious stuff, but how often do we think about how our current hygienic state of being was attained? I only gave it scant thought before researching this article. I am thankful for all of our modern sanitary conveniences and the scientists and engineers past and present who have made them possible. Let's stay cholera-free, people!

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