Экологическая технология ( envirotech ) — это использование инженерных и технологических подходов для понимания и решения проблем, которые влияют на окружающую среду, с целью содействия улучшению окружающей среды. Она включает применение науки и технологий в процессе решения экологических проблем посредством сохранения окружающей среды и смягчения воздействия человека на окружающую среду.
Термин иногда также используется для описания технологий устойчивого производства энергии, таких как фотоэлектрические системы , ветровые турбины и т. д. [ необходима ссылка ]
Очистка воды — это процесс удаления нежелательных химических веществ, биологических загрязнителей, взвешенных твердых частиц и газов из воды . Целью является получение воды, пригодной для определенных целей. Большая часть воды очищается и дезинфицируется для потребления человеком ( питьевая вода ), но очистка воды может также проводиться для множества других целей, включая медицинские, фармакологические, химические и промышленные применения. История очистки воды включает в себя широкий спектр методов. Используемые методы включают физические процессы, такие как фильтрация , седиментация и дистилляция ; биологические процессы, такие как медленные песчаные фильтры или биологически активный уголь ; химические процессы, такие как флокуляция и хлорирование ; и использование электромагнитного излучения, такого как ультрафиолетовый свет .
Очистка воды может снизить концентрацию твердых частиц, включая взвешенные частицы , паразитов , бактерии, водоросли , вирусы и грибки, а также снизить концентрацию ряда растворенных и твердых частиц.
Стандарты качества питьевой воды обычно устанавливаются правительствами или международными стандартами. Эти стандарты обычно включают минимальные и максимальные концентрации загрязняющих веществ в зависимости от предполагаемого использования воды.
Визуальный осмотр не может определить, является ли вода соответствующего качества. Простые процедуры, такие как кипячение или использование бытового фильтра с активированным углем , недостаточны для очистки всех возможных загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в воде из неизвестного источника. Даже природная родниковая вода , считавшаяся безопасной для всех практических целей в 19 веке, теперь должна быть проверена, прежде чем определять, какой вид очистки, если таковой вообще необходим. Химический и микробиологический анализ , хотя и являются дорогостоящими, являются единственным способом получить информацию, необходимую для принятия решения о подходящем методе очистки.Очистка воздуха описывает процессы, используемые для удаления загрязняющих веществ и загрязняющих веществ из воздуха для снижения потенциального неблагоприятного воздействия на человека и окружающую среду. Процесс очистки воздуха может осуществляться с использованием таких методов, как механическая фильтрация, ионизация, адсорбция активированным углем, фотокаталитическое окисление и бактерицидное облучение ультрафиолетовым светом.
Очистка сточных вод (или очистка бытовых сточных вод, очистка муниципальных сточных вод ) — это тип очистки сточных вод , целью которого является удаление загрязняющих веществ из сточных вод для получения сточных вод , которые пригодны для сброса в окружающую среду или предполагаемого повторного использования, тем самым предотвращая загрязнение воды от неочищенных сбросов сточных вод. [1] Сточные воды содержат сточные воды из домохозяйств и предприятий и, возможно, предварительно очищенные промышленные сточные воды . Существует большое количество процессов очистки сточных вод на выбор. Они могут варьироваться от децентрализованных систем (включая системы очистки на месте) до крупных централизованных систем, включающих сеть труб и насосных станций (называемых канализацией ), которые транспортируют сточные воды на очистные сооружения. В городах, имеющих объединенную канализацию , канализация также будет транспортировать городские стоки (ливневые воды) на очистные сооружения. Очистка сточных вод часто включает два основных этапа, называемых первичной и вторичной очисткой , в то время как расширенная очистка также включает этап третичной очистки с процессами полировки и удаления питательных веществ. Вторичная очистка может уменьшить органическое вещество (измеряемое как биологическая потребность в кислороде ) из сточных вод, используя аэробные или анаэробные биологические процессы. Так называемый шаг четвертичной очистки (иногда называемый усовершенствованной очисткой) также может быть добавлен для удаления органических микрозагрязнителей, таких как фармацевтические препараты. Это было реализовано в полном масштабе, например, в Швеции. [2]
Было разработано большое количество технологий очистки сточных вод, в основном с использованием процессов биологической очистки. Инженеры-проектировщики и лица, принимающие решения, должны учитывать технические и экономические критерии каждой альтернативы при выборе подходящей технологии. [3] : 215 Часто основными критериями выбора являются: желаемое качество сточных вод, ожидаемые затраты на строительство и эксплуатацию, доступность земли, потребности в энергии и аспекты устойчивости . В развивающихся странах и в сельских районах с низкой плотностью населения сточные воды часто очищаются различными местными системами канализации и не транспортируются в канализацию. Эти системы включают септики , подключенные к дренажным полям , местные системы канализации (OSS), системы вермифильтрации и многое другое. С другой стороны, современные и относительно дорогие очистные сооружения могут включать третичную очистку с дезинфекцией и, возможно, даже четвертую стадию очистки для удаления микрозагрязнителей. [2]
На глобальном уровне, по оценкам, очищается 52% сточных вод. [4] Однако показатели очистки сточных вод сильно различаются в разных странах мира. Например, в то время как страны с высоким уровнем дохода очищают около 74% своих сточных вод, развивающиеся страны очищают в среднем всего 4,2%. [4]
Очистка сточных вод является частью области санитарии . Санитария также включает в себя управление человеческими отходами и твердыми отходами , а также управление ливневыми водами (дренаж). [5] Термин «очистные сооружения» часто используется взаимозаменяемо с термином « очистные сооружения сточных вод» . [3] [ нужна страница ] [6]Восстановление окружающей среды — это процесс, посредством которого загрязняющие вещества или загрязняющие вещества из почвы, воды и других сред удаляются для улучшения качества окружающей среды. Основное внимание уделяется сокращению опасных веществ в окружающей среде. Некоторые из областей, вовлеченных в восстановление окружающей среды, включают: загрязнение почвы , опасные отходы , загрязнение грунтовых вод, разливы нефти, газа и химикатов. Существует три наиболее распространенных типа восстановления окружающей среды. К ним относятся восстановление почвы, воды и отложений. [7]
Рекультивация почвы заключается в удалении загрязняющих веществ из почвы, поскольку они представляют большую опасность для людей и экосистемы. Примерами этого являются тяжелые металлы, пестициды и радиоактивные материалы. В зависимости от загрязняющего вещества восстановительные процессы могут быть физическими, химическими, термическими или биологическими.
Очистка воды является одной из самых важных, учитывая, что вода является важным природным ресурсом. В зависимости от источника воды будут различные загрязняющие вещества. Загрязнение поверхностных вод в основном состоит из сельскохозяйственных, животных и промышленных отходов, а также кислотных шахтных стоков. [8] Потребность в очистке воды возросла из-за увеличения сброса промышленных отходов, что привело к спросу на устойчивые водные решения. Ожидается, что рынок очистки воды будет постоянно расти до 19,6 млрд долларов к 2030 году. [9]
Рекультивация отложений заключается в удалении загрязненных отложений. Это почти похоже на рекультивацию почвы, за исключением того, что она часто более сложна, поскольку включает дополнительные загрязняющие вещества. Для уменьшения количества загрязняющих веществ, вероятно, будут использоваться физические, химические и биологические процессы, которые помогают контролировать источник, но если эти процессы выполняются правильно, существует риск повторного появления загрязнения. [7] [10]
Управление твердыми отходами — это очистка, потребление, повторное использование, утилизация и обработка твердых отходов , которые осуществляются правительством или правящими органами города/поселка. [11] Это относится к сбору, обработке и утилизации нерастворимых твердых отходов. Твердые отходы связаны как с промышленной, институциональной, коммерческой, так и с бытовой деятельностью. Опасные твердые отходы при неправильной утилизации могут способствовать заражению насекомыми и грызунами, способствуя распространению болезней. Некоторые из наиболее распространенных типов управления твердыми отходами включают: захоронение, вермикомпостирование, компостирование, переработку и сжигание. Однако основным препятствием для практики управления твердыми отходами являются высокие затраты, связанные с переработкой, и риски создания большего загрязнения.
Переработка электронных отходов (e-waste) достигла значительных технологических успехов из-за растущих экологических проблем и растущего объема утилизации электронных продуктов. Традиционные методы переработки электронных отходов, которые часто включают ручную разборку, подвергают рабочих воздействию опасных материалов и являются трудоемкими. Недавние инновации ввели автоматизированные процессы, которые повышают безопасность и эффективность, позволяя более точно разделять и извлекать ценные материалы. [12]
Современные методы переработки электронных отходов теперь используют автоматизированное измельчение и передовые технологии сортировки, которые помогают эффективно разделять различные типы материалов для переработки. Это не только повышает скорость извлечения драгоценных металлов, но и минимизирует воздействие на окружающую среду за счет сокращения количества отходов, отправляемых на свалки. Кроме того, исследования в области биоразлагаемой электроники направлены на сокращение будущих электронных отходов за счет разработки электроники, которая может разлагаться более естественным образом в окружающей среде. [13]
Эти достижения способствуют переходу к экономике замкнутого цикла, в которой жизненный цикл материалов увеличивается, а воздействие на окружающую среду существенно сводится к минимуму.
Биоремедиация — это процесс, в котором используются микроорганизмы, такие как бактерии , грибки , растительные ферменты и дрожжи , для нейтрализации опасных веществ, которые могут находиться в окружающей среде. Это может помочь смягчить различные экологические опасности, включая разливы нефти , пестициды , тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества. [14] Биоремедиация может проводиться как на месте («in situ»), так и за его пределами («ex situ»), что часто необходимо, если климат слишком холодный. Факторы, влияющие на продолжительность биоремедиации, включают в себя степень загрязнения, условия окружающей среды и сроки, которые могут варьироваться от месяцев до лет. [15]
Озабоченность по поводу загрязнения и парниковых газов подстегнула поиск устойчивых альтернатив использованию ископаемого топлива. Глобальное сокращение парниковых газов требует принятия энергосбережения, а также устойчивого производства. Такое снижение вреда окружающей среде подразумевает глобальные изменения, такие как:
Поскольку топливо, используемое промышленностью и транспортом, составляет большую часть мирового спроса [ требуется ссылка ] , путем инвестирования в сохранение и эффективность (использование меньшего количества топлива) можно сократить загрязнение и выбросы парниковых газов в этих двух секторах по всему миру. Передовые энергоэффективные технологии электродвигателей (и электрогенераторов ), которые являются экономически эффективными для поощрения их применения, такие как генераторы с переменной скоростью и эффективное использование энергии , могут сократить количество углекислого газа (CO2 ) и диоксида серы (SO2 ) , которые в противном случае были бы выброшены в атмосферу, если бы электричество вырабатывалось с использованием ископаемого топлива. Некоторые ученые выразили обеспокоенность тем, что внедрение новых экологических технологий в высокоразвитых национальных экономиках может вызвать экономические и социальные потрясения в менее развитых экономиках. [16]
Возобновляемая энергия — это энергия , которую можно легко восполнить. В течение многих лет мы используем такие источники, как древесина , солнце , вода и т. д. для производства энергии. Энергия, которая может быть произведена природными объектами, такими как солнце, ветер и т. д., считается возобновляемой. Технологии, которые используются, включают в себя энергию ветра, гидроэнергию, солнечную энергию, геотермальную энергию и биомассу/биоэнергию. Это относится к любой форме энергии, которая естественным образом восстанавливается с течением времени и не заканчивается. Эта форма энергии естественным образом восполняется и характеризуется низким углеродным следом. Некоторые из наиболее распространенных типов возобновляемых источников энергии включают: солнечную энергию, энергию ветра, гидроэлектроэнергию и биоэнергию, которая вырабатывается путем сжигания органического вещества.
Пересечение технологий и устойчивости привело к инновационным решениям, направленным на повышение эффективности систем возобновляемой энергии. Одним из таких нововведений является интеграция ветровой и солнечной энергии для максимизации производства энергии. Такие компании, как Unéole, являются пионерами технологий, которые объединяют солнечные панели с ветряными турбинами на одной платформе, что особенно выгодно для городской среды с ограниченным пространством. Эта гибридная система не только экономит пространство, но и увеличивает выработку энергии, используя взаимодополняющую природу доступности солнечной и ветровой энергии. [17]
Более того, достижения в области технологий оффшорного ветра значительно повысили жизнеспособность и эффективность ветроэнергетики. Современные оффшорные ветровые турбины отличаются усовершенствованиями в структурном дизайне и аэродинамике, которые улучшают их захват энергии и снижают затраты. Эти турбины теперь более адаптируемы к различным морским средам, что обеспечивает большую гибкость в размещении и потенциально снижает визуальное загрязнение. Плавающие ветровые турбины, например, используют платформы с натяжными опорами и буи-шпангоуты, которые могут быть развернуты в более глубоких водах, значительно расширяя потенциальные области для генерации ветроэнергии [18]
Такие инновации не только расширяют возможности отдельных возобновляемых технологий, но и способствуют созданию более устойчивой и стабильной энергетической сети. Оптимизируя интеграцию и эффективность возобновляемых ресурсов, эти технологии играют решающую роль в переходе к устойчивому энергетическому будущему.
Энергосбережение — это использование устройств, которым требуется меньше энергии, чтобы сократить потребление электроэнергии. Сокращение потребления электроэнергии приводит к тому, что для обеспечения этой электроэнергии сжигается меньше ископаемого топлива. И это относится к практике использования меньшего количества энергии посредством изменения индивидуального поведения и привычек. Основной акцент в энергосбережении делается на предотвращении расточительного использования энергии в окружающей среде для повышения ее доступности. Некоторые из основных подходов к энергосбережению включают отказ от использования устройств, потребляющих больше энергии, где это возможно.
Прогнозирование egain — это метод, использующий технологию прогнозирования для прогнозирования будущего воздействия погоды на здание. [19] Регулируя отопление на основе прогноза погоды, система устраняет избыточное использование тепла, тем самым снижая потребление энергии и выбросы парниковых газов . [20] Это технология, представленная шведской компанией eGain International, которая разумно балансирует потребление энергии зданием. Технология включает прогнозирование количества тепловой энергии, необходимой зданию в течение определенного периода, что приводит к энергоэффективности и устойчивости. eGain снижает потребление энергии зданием и выбросы, одновременно определяя время для технического обслуживания, где наблюдается неэффективность.
Солнечная энергия , также известная как солнечное электричество, представляет собой преобразование энергии солнечного света в электричество , либо напрямую с использованием фотоэлектрических элементов (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии . Солнечные панели используют фотоэлектрический эффект для преобразования света в электрический ток . [22] Концентрированные солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала и системы слежения за солнцем для фокусировки большой площади солнечного света в горячую точку, часто для приведения в действие паровой турбины .
Фотоэлектрические системы (PV) изначально использовались исключительно в качестве источника электроэнергии для малых и средних приложений, от калькулятора, работающего от одной солнечной батареи, до удаленных домов, питаемых от автономной фотоэлектрической системы на крыше. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. С тех пор, поскольку стоимость солнечных панелей упала, мощность и производство сетевых солнечных фотоэлектрических систем удваивались примерно каждые три года . Три четверти новых генерирующих мощностей составляют солнечные батареи, [23] при этом продолжают строиться как миллионы установок на крышах, так и гигаваттные фотоэлектрические электростанции .
В 2023 году солнечная энергия выработала 5,5% (1631 ТВт·ч) мировой электроэнергии и более 1% первичной энергии , добавив вдвое больше новой электроэнергии, чем уголь. [24] [25] Наряду с наземной ветроэнергетикой , солнечная энергия коммунального масштаба является источником с самой низкой приведенной стоимостью электроэнергии для новых установок в большинстве стран. [26] [27] По состоянию на 2023 год 33 страны вырабатывали более десятой части своей электроэнергии за счет солнечной энергии, причем Китай обеспечивал более половины роста солнечной энергии. [28] Почти половина солнечной энергии, установленной в 2022 году, была установлена на крышах . [29]
Для электрификации и ограничения изменения климата требуется гораздо больше низкоуглеродной энергии . [23] Международное энергетическое агентство заявило в 2022 году, что необходимы дополнительные усилия для интеграции сетей и смягчения проблем политики, регулирования и финансирования. [30] Тем не менее, солнечная энергия может значительно снизить стоимость энергии. [25]Вычислительная устойчивость — это новая область, которая пытается сбалансировать общественные, экономические и экологические ресурсы для будущего благополучия человечества, используя методы из областей математики , компьютерных наук и информационных наук . [31] [32] Устойчивость в этом контексте относится к способности мира поддерживать биологические, социальные и экологические системы в долгосрочной перспективе.
Используя возможности компьютеров для обработки больших объемов информации, алгоритмы принятия решений распределяют ресурсы на основе информации в реальном времени. [33] Приложения, разработанные в этой области, широко распространены в различных областях. Например, методы искусственного интеллекта и машинного обучения созданы для содействия долгосрочному сохранению биоразнообразия и защите видов. [34] [35] Интеллектуальные сети реализуют возобновляемые ресурсы и возможности хранения для управления производством и расходом энергии. [36] Технологии интеллектуальных транспортных систем могут анализировать дорожные условия и передавать информацию водителям, чтобы они могли принимать более разумные, более экологически выгодные решения на основе информации о дорожном движении в реальном времени. [37] [38]Устойчивое сельское хозяйство — это подход к ведению сельского хозяйства, который использует технологию таким образом, чтобы обеспечить защиту продовольствия, одновременно гарантируя долгосрочное здоровье и производительность сельскохозяйственных систем, экосистем и сообществ. Исторически технологические достижения внесли значительный вклад в повышение производительности сельского хозяйства и сокращение физического труда. [39]
Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства улучшает устойчивое сельское хозяйство посредством использования финансируемых программ, направленных на удовлетворение потребностей человека в пище и волокнах, улучшение качества окружающей среды и сохранение природных ресурсов, жизненно важных для сельскохозяйственной экономики, оптимизацию использования как невозобновляемых, так и внутрихозяйственных ресурсов, при этом интегрируя естественные биологические циклы и средства контроля по мере необходимости, поддерживая экономическую жизнеспособность сельскохозяйственных операций и способствуя улучшению качества жизни фермеров и общества в целом. Среди своих инициатив NIFA хочет улучшить методы ведения фермерского хозяйства и ранчо, комплексную борьбу с вредителями , ротационный выпас , сохранение почвы , качество воды/водно-болотные угодья, покровные культуры , разнообразие сельскохозяйственных культур/ландшафтов, управление питательными веществами , агролесоводство и альтернативный маркетинг. [40]
Курсы, направленные на развитие у выпускников определенных навыков в области экологических систем или экологических технологий, становятся все более распространенными и делятся на три основных класса:
Портал окружающей среды
Портал наук о Земле
Экологический портал
Портал возобновляемой энергии
Технологический портал
Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.