環境工学

環境工学とは、人々がニーズを満たすために環境条件を改変・制御する方法を学んだ初期の文明以来行われてきた仕事の名称である。^{[ 4 ] [ 14 ]}人々は自分たちの健康が環境の質と関係していることを認識すると、それを改善するためのシステムを構築した。 ^{[ 4 ]}古代インダス文明（紀元前3300年～紀元前1300年）は、水資源を高度に制御していた。^{[ 14 ]}この地域のさまざまな遺跡で発見された公共事業の構造物には、井戸、公衆浴場、貯水槽、飲料水システム、都市全体の汚水収集システムなどがある。^{[ 14 ] [ 15 ]}また、大規模農業を可能にする初期の運河灌漑システムも持っていた。 ^{[ 16 ]}

紀元前4000年から2000年にかけて、多くの文明が排水システムを備えており、メソポタミア帝国、モヘンジョ・ダロ、エジプト、クレタ島、スコットランドのオークニー諸島など、衛生設備を備えた文明もあった。^{[ 4 ]}ギリシャ人も、雨水や廃水を利用して畑を灌漑・施肥する水道橋や下水道システムを持っていた。^{[ 4 ]}

ローマで最初の水道橋は紀元前312年に建設され、ローマ人は灌漑や干ばつ時の安全な都市用水供給のために水道橋を建設し続けました。 ^{[ 4 ]}また、紀元前7世紀には、テヴェレ川に流れ込む地下下水道システムを建設し、湿地を干拓して農地を作り、都市から下水を排出しました。^{[ 4 ] [ 14 ]}

ローマ帝国の衰退から19世紀までほとんど変化は見られなかったが、19世紀になると人口密度の高い都市部で公衆衛生に重点を置いた取り組みが強化され、改善が見られた。^{[ 14 ] [ 17 ]}近代的な環境工学は、19世紀半ばにロンドンで始まった。ジョセフ・バザルゲットが大悪臭事件の後、最初の大規模な下水道システムを設計した。^{[ 14 ]}ロンドンの下水道システムは未処理の下水をテムズ川に流し、テムズ川は市内の飲料水の大部分も供給していたため、コレラの発生につながった。^{[ 14 ]}工業化された国々で飲料水処理と下水処理が導入されたことで、水系感染症は主要な死因から稀なものへと減少した。^{[ 18 ]}

この分野は、水質汚染や大気汚染、その他の環境悪化に対する国民の広範な懸念に応えて、20世紀半ばに独立した学問分野として出現しました。社会と技術が複雑化するにつれて、自然環境に意図しない影響がますます生じるようになりました。その一例が、第二次世界大戦後の数年間に農作物の害虫駆除のために広く使用された殺虫剤DDTです。レイチェル・カーソンの『沈黙の春』 （1962年）で鮮やかに語られたDDTの物語は、現代の環境運動の誕生と考えられており、^{[ 19 ]}それが「環境工学」という独立した学問分野の誕生につながりました。

人類が地球環境に与える影響力が増大するにつれ、環境工学という学問分野は、21世紀の大きな課題を解決する上での役割を認識するようになった。^{[ 20 ]}環境エンジニアが地球環境にプラスの影響を与えることができる独自の立場にある5つの機会領域は以下のとおりである。

1. 食料、水、エネルギーを持続可能な方法で供給する
2. 気候変動を抑制し、適応する
3. 汚染や廃棄物のない未来をデザインする
4. 効率的で健康的、かつ回復力のある都市を創造する
5. 情報に基づいた意思決定と行動を促進する

報告書では、6つ目の大きな課題として、将来の労働力を育成することも挙げられている。

この報告に基づいて、ダニエル・B・オーサーとその同僚は、環境工学3.0を「公衆の健康、安全、福祉、そしてすべての生命が依存する地球の健康」を同時に考慮することと定義した。^{[ 21 ]}融合研究の例として、現代の環境工学は「地球の健康の問題に対する解決策を開発するために工学分野を使用すること」と定義されている。^{[ 22 ]}

環境工学の典型的なカリキュラムは以下のトピックで構成されています。^{[ 24 ]}

1. 物質およびエネルギーの移動
2. 環境化学
   1. 無機化学
   2. 有機化学
   3. 核化学
3. 成長モデル
   1. 資源消費
   2. 人口増加
   3. 経済成長
4. リスクアセスメント
   1. 危険源の特定
   2. 用量反応評価
   3. 曝露評価
   4. リスク特性評価
   5. 比較リスク分析
5. 水質汚染
   1. 水資源と汚染物質
   2. 酸素需要
   3. 汚染物質の輸送
   4. 水処理および廃水処理
6. 大気汚染
   1. 産業、運輸、商業、住宅からの排出量
   2. 基準値と有害大気汚染物質
   3. 汚染モデリング（例：大気拡散モデリング）
   4. 汚染対策
   5. 大気汚染と気象学
7. 地球規模の変化
   1. 温室効果と地球の気温
   2. 炭素、窒素、酸素の循環
   3. IPCC排出シナリオ
   4. 海洋の変化（海洋酸性化、地球温暖化が海洋に及ぼすその他の影響）および成層圏の変化（気候変動の物理的影響を参照）
8. 固形廃棄物管理と資源回収
   1. ライフサイクルアセスメント
   2. 発生源削減
   3. 収集および移送業務
   4. リサイクル
   5. 廃棄物発電
   6. 埋立地

環境技術者は、流域内の水収支を評価し、利用可能な水量、流域内の様々なニーズに必要な水量、流域を通る水の移動の季節的なサイクルを特定し、様々な用途のために水を貯蔵、処理、輸送するシステムを開発します。

水は、最終用途の水質目標を達成するために処理されます。飲料水供給の場合、水は感染症の伝播リスク、非感染性疾患のリスクを最小限に抑え、おいしい水の味を作るために処理されます。配水システム^{[ 25 ] [ 26 ]}は、家庭用、消火用、灌漑用など、さまざまな最終使用者のニーズを満たすのに十分な水圧と流量を提供するように設計および構築されています。

廃水処理技術には数多くの種類があります。廃水処理工程は、固形物や浮遊物を除去する一次沈殿槽システム、曝気槽とそれに続く凝集沈殿または活性汚泥システムと二次沈殿槽からなる二次処理システム、三次生物学的窒素除去システム、および最終消毒プロセスで構成されます。曝気槽/活性汚泥システムは、細菌（活性汚泥）を増殖させることで有機物を除去します。二次沈殿槽は、水から活性汚泥を除去します。三次システムは、コスト上の理由から必ずしも含まれるわけではありませんが、窒素とリンを除去し、地表水や海洋への放流前に水を消毒するために、ますます普及しています。^{[ 27 ]}

科学者たちは、大気汚染物質の拡散モデルを開発し、自動車の排気ガスや産業用煙突からの排ガスが、ある地点における汚染物質の濃度や大気全体の質に与える影響を評価してきた。この分野は、燃焼プロセスからの二酸化炭素やその他の温室効果ガスの排出量を削減したいという要望と、ある程度重なる部分がある。

環境技術者は、科学的および工学的原理を適用して、水質、大気質、生息地の質、動植物、農業生産能力、交通、生態系、騒音などに悪影響が生じる可能性を評価します。影響が予想される場合は、そのような影響を制限または防止するための緩和策を策定します。緩和策の一例として、道路のルート変更が不可能な場合、道路開発に必要な湿地の埋め立てを緩和するために、近隣に湿地を造成することが挙げられます。

米国では、環境アセスメントの実施は、国家環境政策法（NEPA）の発効日である1970年1月1日に正式に開始されました。それ以来、100以上の発展途上国と先進国が、同様の法律を計画するか、他国で使用されている手続きを採用しています。NEPAは、米国のすべての連邦機関に適用されます。^{[ 28 ]}

米国環境保護庁（EPA）は、環境技術者と協力して重要な課題を解決する多くの機関の一つです。EPAの使命の重要な要素は、大気、水、そして環境全体の質を保護・改善し、有害な影響を回避または軽減することです。