Ingeniería ambiental

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La ingeniería ambiental es una disciplina de ingeniería profesional que abarca amplios temas científicos como la química, la biología, la ecología, la geología, la hidráulica, la hidrología, la microbiología y las matemáticas para crear soluciones que protejan y también mejoren la salud de los organismos vivos y mejoren la calidad del medio ambiente.. La ingeniería ambiental es una subdisciplina de la ingeniería civil y la ingeniería química.

La ingeniería ambiental es la aplicación de principios científicos y de ingeniería para mejorar y mantener el medio ambiente para:

proteger la salud humana,
proteger los ecosistemas benéficos de la naturaleza,
y mejorar la mejora relacionada con el medio ambiente de la calidad de vida humana.

Los ingenieros ambientales diseñan soluciones para la gestión de aguas residuales, el control de la contaminación del agua y el aire, el reciclaje, la eliminación de desechos y la salud pública. Diseñan sistemas de abastecimiento de agua municipal y tratamiento de aguas residuales industriales, y diseñan planes para prevenir enfermedades transmitidas por el agua y mejorar el saneamiento en áreas urbanas, rurales y recreativas. Evalúan los sistemas de gestión de desechos peligrosos para evaluar la gravedad de tales peligros, asesorar sobre el tratamiento y la contención, y desarrollar regulaciones para prevenir percances. Implementan la ley de ingeniería ambiental, como en la evaluación del impacto ambiental de los proyectos de construcción propuestos.

Los ingenieros ambientales estudian el efecto de los avances tecnológicos en el medio ambiente, abordando problemas ambientales locales y mundiales, como la lluvia ácida, el calentamiento global, el agotamiento del ozono, la contaminación del agua y la contaminación del aire por los escapes de los automóviles y fuentes industriales.

La mayoría de las jurisdicciones imponen requisitos de licencia y registro para ingenieros ambientales calificados.

Etimología

La palabra ambiental tiene su raíz en la palabra francesa de finales del siglo XIV environ (verbo), que significa rodear o abarcar. La palabra entorno fue utilizada por Carlyle en 1827 para referirse al conjunto de condiciones en las que vive una persona o cosa. El significado cambió nuevamente en 1956 cuando se usó en el sentido ecológico, donde la ecología es la rama de la ciencia que se ocupa de la relación de los seres vivos con su entorno.

La segunda parte de la frase ingeniero ambiental se origina en raíces latinas y se usó en el francés del siglo XIV como engignour, que significa constructor de motores militares como trabuquetes, arcabuces, arcos largos, cañones, catapultas, ballestas, estribos, armaduras y otros. artilugios mortíferos o belicosos. La palabra ingeniero no se utilizó para hacer referencia a obras públicas hasta el siglo XVI; y probablemente entró en la lengua vernácula popular como un creador de obras públicas durante la época de John Smeaton.

Historia

Civilizaciones antiguas

La ingeniería ambiental es un nombre para el trabajo que se ha realizado desde las primeras civilizaciones, cuando las personas aprendieron a modificar y controlar las condiciones ambientales para satisfacer las necesidades. A medida que las personas reconocieron que su salud estaba relacionada con la calidad de su entorno, construyeron sistemas para mejorarlo. La antigua civilización del valle del Indo (3300 a. C. a 1300 a. C.) tenía un control avanzado sobre sus recursos hídricos. Las estructuras de obra pública que se encuentran en varios sitios de la zona incluyen pozos, baños públicos, tanques de almacenamiento de agua, un sistema de agua potable y un sistema de recolección de aguas residuales en toda la ciudad. También tenían un sistema de riego de canal temprano que permitía la agricultura a gran escala.

Desde el 4000 hasta el 2000 a. C., muchas civilizaciones tenían sistemas de drenaje y algunas tenían instalaciones sanitarias, incluido el Imperio mesopotámico, Mohenjo-Daro, Egipto, Creta y las Islas Orkney en Escocia. Los griegos también tenían acueductos y sistemas de alcantarillado que utilizaban la lluvia y las aguas residuales para regar y fertilizar los campos.

El primer acueducto de Roma se construyó en el 312 a. C. y, desde allí, continuaron construyendo acueductos para el riego y el suministro de agua segura a las zonas urbanas durante las sequías. También construyeron un sistema de alcantarillado subterráneo ya en el siglo VII a. C. que desembocaba en el río Tíber, drenando pantanos para crear tierras de cultivo y eliminando las aguas residuales de la ciudad.

Era moderna

Se observaron muy pocos cambios desde la caída de Roma hasta el siglo XIX, donde las mejoras vieron un aumento de los esfuerzos centrados en la salud pública. La ingeniería ambiental moderna comenzó en Londres a mediados del siglo XIX cuando Joseph Bazalgette diseñó el primer gran sistema de alcantarillado después del Gran Hedor. El sistema de alcantarillado de la ciudad transportaba aguas residuales sin tratar al río Támesis, que también suministraba la mayor parte del agua potable de la ciudad, lo que provocó un brote de cólera. La introducción del tratamiento de agua potable y tratamiento de aguas residuales en los países industrializados redujo las enfermedades transmitidas por el agua de las principales causas de muerte a rarezas.

El campo surgió como una disciplina académica separada a mediados del siglo XX en respuesta a la preocupación pública generalizada sobre la contaminación del agua y el aire y otra degradación ambiental. A medida que la sociedad y la tecnología se volvieron más complejas, produjeron cada vez más efectos no deseados en el medio ambiente natural. Un ejemplo es la aplicación generalizada del pesticida DDT para controlar plagas agrícolas en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial. La historia del DDT, tal como se cuenta vívidamente en Silent Spring (1962) de Rachel Carson, se considera el nacimiento del movimiento ambiental moderno, que condujo al campo moderno de la "ingeniería ambiental".

Educación

Muchas universidades ofrecen programas de ingeniería ambiental a través del departamento de ingeniería civil o ingeniería química y también incluyen proyectos electrónicos para desarrollar y equilibrar las condiciones ambientales. Los ingenieros ambientales en un programa de ingeniería civil a menudo se enfocan en hidrología, gestión de recursos hídricos, biorremediación y diseño de plantas de tratamiento de agua y aguas residuales. Los ingenieros ambientales en un programa de ingeniería química tienden a centrarse en la química ambiental, las tecnologías avanzadas de tratamiento de aire y agua y los procesos de separación. Algunas subdivisiones de la ingeniería ambiental incluyen la ingeniería de recursos naturales y la ingeniería agrícola.

Los cursos para estudiantes se dividen en algunas clases amplias:

Cursos de ingeniería mecánica orientados al diseño de máquinas y sistemas mecánicos para uso ambiental tales como plantas de tratamiento de agua y aguas residuales, estaciones de bombeo, plantas de segregación de basura y otras instalaciones mecánicas.
Cursos de ingeniería ambiental o sistemas ambientales orientados hacia un enfoque de ingeniería civil en el que las estructuras y el paisaje se construyen para mezclarse con el medio ambiente o protegerlo.
Cursos de química ambiental, química sostenible o ingeniería química ambiental orientados a comprender los efectos de los productos químicos en el medio ambiente, incluidos los procesos mineros, contaminantes y también los procesos bioquímicos.
Cursos de tecnología ambiental orientados a producir graduados electrónicos o eléctricos capaces de desarrollar dispositivos y artefactos capaces de monitorear, medir, modelar y controlar el impacto ambiental, incluido el monitoreo y la gestión de la generación de energía a partir de fuentes renovables.

Plan de estudios

Los siguientes temas conforman un plan de estudios típico en ingeniería ambiental:

Transferencia de masa y energía
química ambiental
1. Química Inorgánica
2. Química Orgánica
3. quimica nuclear
Modelos de crecimiento
1. Consumo de recursos
2. Crecimiento de la población
3. Crecimiento económico
Evaluación de riesgos
1. Identificación de peligros
2. Evaluación de dosis-respuesta
3. Asesoramiento de exposición
4. Caracterización del riesgo
5. Análisis comparativo de riesgos
La contaminación del agua
1. Recursos hídricos y contaminantes
2. Demanda de oxígeno
3. Transporte de contaminantes
4. Tratamiento de aguas y aguas residuales
La contaminación del aire
1. Emisiones industriales, de transporte, comerciales y residenciales
2. Criterios y contaminantes atmosféricos tóxicos
3. Modelización de la contaminación (p. ej., modelización de la dispersión atmosférica)
4. Control de polución
5. Contaminación del aire y meteorología.
Cambio global
1. Efecto invernadero y temperatura global
2. Ciclo de carbono, nitrógeno y oxígeno.
3. Escenarios de emisiones del IPCC
4. Cambios oceánicos (acidificación de los océanos, otros efectos del calentamiento global en los océanos) y cambios en la estratosfera (ver Impactos físicos del cambio climático)
Gestión de residuos sólidos y recuperación de recursos
1. Evaluación del ciclo de vida
2. Reducción de fuente
3. Operaciones de cobro y transferencia
4. Reciclaje
5. Conversión de residuos en energía
6. vertedero

Balance de masa

Considere una sustancia química hecha por el hombre de la que deseamos encontrar el destino en relación con el tiempo, la posición, alguna fase de la materia o el flujo de un líquido. Representamos el cambio medido en la concentración como una función de todas las tasas de cambio que afectan ese grupo de materia química.

{displaystyle V{dC over dt}=sum ({d^{b}m over dt^{b}})}

Lo que significa que para algún volumen de control, el cambio en la concentración frente al cambio en el tiempo independiente lineal es igual a la suma de los cambios que ocurren dentro (+) y fuera (-) de ese volumen de control. Esto está permitido por varias razones diferentes:

(1) Conservación de la masa.

{displaystyle masa total=masa_{a}+masa_{b}+masa_{c}...masa_{n}}

(2) Representación como una ecuación diferencial ordinaria.

{displaystyle a_{0}(x)y+a_{1}(x)y'+a_{2}(x)y''+cdots +a_{n}(x)y^{(n)} +b(x)=0,}

(3) Existe una solución.

Aunque las ecuaciones diferenciales pueden intimidar, esta fórmula para un cambio en la concentración de un volumen de control por tiempo es muy versátil incluso sin cálculo. Tomemos, por ejemplo, el escenario común de un tanque que contiene un volumen con un contaminante de cierta concentración. Dado que se está produciendo una reacción de primer orden -kC y que el tanque está en estado estacionario, la concentración del efluente se convierte en una expresión de la concentración inicial, la constante de reacción k y el tiempo de retención hidráulica (HRT) que es igual al cociente del volumen del tanque por el caudal.

Aplicaciones

Abastecimiento y tratamiento de agua

Los ingenieros ambientales evalúan el balance de agua dentro de una cuenca y determinan el suministro de agua disponible, el agua necesaria para diversas necesidades en esa cuenca, los ciclos estacionales del movimiento del agua a través de la cuenca y desarrollan sistemas para almacenar, tratar y transportar agua para diversos usos..

El agua se trata para lograr los objetivos de calidad del agua para los usos finales. En el caso de un suministro de agua potable, el agua se trata para minimizar el riesgo de transmisión de enfermedades infecciosas, el riesgo de enfermedades no infecciosas y para crear un sabor agradable al agua. Los sistemas de distribución de agua están diseñados y construidos para proporcionar la presión y el caudal de agua adecuados para satisfacer las diversas necesidades de los usuarios finales, como el uso doméstico, la extinción de incendios y el riego.

Tratamiento de aguas residuales

Existen numerosas tecnologías de tratamiento de aguas residuales. Un tren de tratamiento de aguas residuales puede consistir en un sistema de clarificador primario para eliminar materiales sólidos y flotantes, un sistema de tratamiento secundario que consiste en una balsa de aireación seguida de floculación y sedimentación o un sistema de lodos activados y un clarificador secundario, un sistema terciario de eliminación biológica de nitrógeno, y un proceso de desinfección final. El sistema de depósito de aireación/lodo activado elimina la materia orgánica mediante el crecimiento de bacterias (lodo activado). El decantador secundario elimina los lodos activados del agua. El sistema terciario, aunque no siempre se incluye debido a los costos, es cada vez más frecuente para eliminar el nitrógeno y el fósforo y para desinfectar el agua antes de descargarla en una corriente de agua superficial o en un emisario oceánico.

Gestión de la contaminación del aire

Los científicos han desarrollado modelos de dispersión de la contaminación del aire para evaluar la concentración de un contaminante en un receptor o el impacto en la calidad general del aire de los escapes de los vehículos y las emisiones de gases de combustión industriales. Hasta cierto punto, este campo se superpone al deseo de reducir las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero de los procesos de combustión.

Evaluación y mitigación del impacto ambiental

Los ingenieros ambientales aplican principios científicos y de ingeniería para evaluar si es probable que haya impactos adversos en la calidad del agua, la calidad del aire, la calidad del hábitat, la flora y la fauna, la capacidad agrícola, el tráfico, la ecología y el ruido. Si se esperan impactos, entonces desarrollan medidas de mitigación para limitar o prevenir dichos impactos. Un ejemplo de una medida de mitigación sería la creación de humedales en un lugar cercano para mitigar el relleno de humedales necesarios para el desarrollo de una carretera si no es posible desviar la carretera.

En los Estados Unidos, la práctica de la evaluación ambiental se inició formalmente el 1 de enero de 1970, fecha de vigencia de la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA). Desde entonces, más de 100 países en desarrollo y desarrollados han planificado leyes análogas específicas o han adoptado procedimientos utilizados en otros lugares. NEPA es aplicable a todas las agencias federales en los Estados Unidos.

Agencias regulatorias

Agencia de Protección Ambiental

La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) es una de las muchas agencias que trabajan con ingenieros ambientales para resolver problemas clave. Un componente importante de la misión de la EPA es proteger y mejorar el aire, el agua y la calidad ambiental en general para evitar o mitigar las consecuencias de los efectos nocivos.

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