환경공학
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1. 개요
환경 공학은 고대 문명부터 시작되어 환경 조건을 수정하고 제어하는 기술로 발전해왔다. 인더스 문명과 로마 제국 등 고대 문명에서 수자원 관리, 배수 시스템, 위생 시설 등을 구축했으며, 19세기 런던의 하수도 시스템 건설을 통해 현대 환경 공학의 기틀을 마련했다. 20세기 중반에는 물과 대기 오염 등 환경 파괴에 대한 우려가 커지면서 독립적인 학문 분야로 자리 잡았으며, 노동 환경 공학과 안전 공학으로 분류되어 연구되고 있다. 환경 공학은 상수도 공급 및 처리, 폐수 처리, 대기 오염 관리, 환경 영향 평가 및 완화 등 다양한 분야에 응용되며, 관련 교육 과정과 기관을 통해 전문 인력을 양성하고 있다.
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| 환경공학 | |
|---|---|
| 환경공학 | |
 | |
| 분야 | 공학 |
| 학문 분야 | 화학 생물학 생태학 지질학 수리학 미생물학 |
| 세부 분야 | 환경 영향 평가 대기 질 수질 폐기물 관리 오염 복원 |
| 역사 | |
| 기원 | 1960년대 후반 |
| 주요 사건 | 런던 스모그 쿠야호가 강 화재 |
| 응용 분야 | |
| 대기 질 관리 | 대기 오염 제어 장비 설계 및 구현 |
| 수질 관리 | 하수 처리 시스템 설계 정수 처리 시스템 설계 |
| 폐기물 관리 | 매립지 설계 재활용 시스템 설계 퇴비화 시스템 설계 |
| 오염 복원 | 오염된 토양 및 지하수 정화 기술 개발 생물학적 정화 화학적 산화 |
| 관련 학문 | |
| 관련 학문 | 토목 공학 화학 공학 생물 공학 지구과학 |
| 기타 | |
| 관련 협회 | 미국 환경 공학 및 과학 아카데미 (American Academy of Environmental Engineers & Scientists, AAEES) 국립 환경 공학 교수 협회 (Association of Environmental Engineering and Science Professors, AEESP) 수질 환경 연맹 (Water Environment Federation, WEF) |
2. 역사
환경 공학은 인류가 필요에 따라 환경 조건을 조절하고 제어하는 방법을 배우기 시작한 고대 문명 시대부터 시작되었다.[3][14] 사람들은 건강이 환경의 질과 관련이 있다는 것을 인식하면서, 환경을 개선하기 위한 체계를 구축했다.[3]
2. 1. 고대 문명
환경 공학은 사람들이 필요에 따라 환경 조건을 수정하고 제어하는 방법을 배우면서 고대 문명 시대부터 수행되어 온 작업이다.[3][14] 사람들은 건강이 환경의 질과 관련이 있다는 것을 인식하면서 이를 개선하기 위한 시스템을 구축했다.[3] 고대 인더스 문명 (기원전 3300년~기원전 1300년)은 수자원을 고급적으로 관리했다.[14] 이 지역의 여러 유적에서 발견된 공공 시설물에는 우물, 공중 목욕탕, 물 저장 탱크, 식수 시스템, 도시 전체의 하수 처리 시스템 등이 있다.[14][15] 또한 대규모 농업을 가능하게 하는 초기 운하 관개 시스템도 갖추고 있었다.[16]기원전 4000년에서 2000년 사이에 많은 문명은 배수 시스템을 갖추고 있었고, 일부는 메소포타미아, 모헨조다로, 이집트, 크레테, 그리고 스코틀랜드의 오크니 제도를 포함한 위생 시설을 갖추고 있었다.[3] 그리스인들도 관개와 밭에 비료를 주기 위해 빗물과 폐수를 사용한 수로와 하수 시스템을 가지고 있었다.[3]
로마의 첫 번째 수도교는 기원전 312년에 건설되었으며, 로마인들은 가뭄 동안 관개와 안전한 도시 상수도를 위해 수도교를 계속 건설했다.[3] 그들은 또한 기원전 7세기 초부터 티베르 강으로 유입되는 지하 하수 시스템을 건설하여 늪지를 배수하여 농지를 만들고 도시에서 하수를 제거했다.[3][14]
2. 2. 현대
현대 환경 공학은 조지프 바잘게트(Joseph Bazalgette)가 대악취(Great Stink) 이후 최초의 주요 하수도 시스템을 설계한 19세기 중반 런던에서 시작되었다.[14] 도시의 하수 시스템은 정화되지 않은 하수를 템스강으로 운반했는데, 템스강은 도시 식수의 대부분을 공급하여 콜레라 발생을 초래했다.[14] 산업 국가에서 식수 처리 및 하수 처리가 도입되면서 수인성 질병이 사망의 주요 원인에서 드물게 발생하는 질병으로 감소했다.[18]이 분야는 20세기 중반에 물과 대기 오염 및 기타 환경 파괴에 대한 광범위한 대중의 우려에 대한 대응으로 별도의 학문 분야로 등장했다. 사회와 기술이 더욱 복잡해짐에 따라 자연 환경에 의도하지 않은 영향을 점점 더 많이 미쳤다. 한 예로, 제2차 세계 대전 이후 몇 년 동안 농업 해충을 제어하기 위해 살충제 DDT를 광범위하게 사용한 것이다. 레이첼 카슨(Rachel Carson)의 ''침묵의 봄(Silent Spring)''(1962)에 생생하게 묘사된 DDT의 이야기는 현대 환경 운동의 시작으로 여겨지며,[19] 이는 현대의 "환경 공학" 분야로 이어졌다.
3. 분류
환경공학은 크게 노동환경공학과 안전공학 두 가지로 분류된다. 노동 환경공학은 작업 환경, 노동 조건, 인간관계 등을 연구하며, 안전공학은 공장 내 재해 및 사고 예방을 위한 기술적 대책을 마련한다.
3. 1. 노동환경공학
노동환경공학은 생산이 이루어지는 작업장의 환경 문제, 즉 노동 조건과 인간관계에 대한 모든 요소를 연구한다. 이는 단순히 노동 환경을 개선하는 것을 넘어, 인간공학의 중요한 요소들 간의 상호 관계를 고려하는 것을 포함한다.노동환경공학의 대상이 되는 요소는 다음과 같다: 기상학, 열역학, 건축 환경 공학, 도시 환경 공학, 실내 환경학, 음향학, 공중 보건학, 위생 공학, 환경 화학, 환경 도시 공학, 환경 안전 공학, 연안 환경학, 농업 환경 공학, 구조 안전학, 풍공학, 화학 물질학, 에너지 공학.
3. 1. 1. 공기조정
작업장에서 공기 문제는 제일 중요한 요소라 할 수 있다. 작업장 온도 및 습도 조정은 환경공학에서 취급해야 할 중대 과제이다. 이는 첫째로 노동자들이 쾌적한 조건에서 노동하게 하는 것과 동시에, 제품에 대한 필요 때문인 것이다.3. 1. 2. 색채조절 및 소음조절
색채 조절은 조명과 동시에 할 필요가 있다. 색채 조절에서 고려해야 할 것은 안전 표시와 동시에 이루어져야 한다는 것이다. 작업장의 소음 대책도 중요한 문제이며, 소음 직업병, 즉 소음성 난청의 발생을 방지하기 위하여 소음에 대해서도 허용 기준을 설치하고 기준 이하로 조치하기 위한 음향 공학적 대책은 물론이려니와 작업장을 쾌적한 곳으로 만들기 위한 소음 방지 대책도 고려되어야 한다.3. 1. 3. 전파 및 방사선
방사성 물질의 공업적 이용이 증가함에 따라, 전리방사선으로부터 근로자들을 보호하는 것이 중요해지고 있다. 전리방사선에는 α선, β선, γ선, 중성자, 우주선 등 여러 종류가 있다. 이러한 방사선으로부터 근로자를 보호하기 위해 방사선 위생학 분야가 있으며, 작업 관계자들과의 협력이 필요하다. 또한, 새로운 기술 도입으로 예기치 못한 문제가 발생할 수 있으므로, 화학공업에서의 신물질 등에 대한 세심한 주의가 필요하다.3. 2. 안전공학
환경공학은 주로 노동 환경공학과 안전공학 등 2가지로 분류하여 연구되고 있다. 안전공학은 각 공장에서 발생하는 여러 재해와 사고에 대한 예방을 위한 기술의 제반 문제를 기술적 및 체계적인 연구·조사를 통하여 공학적인 대책을 수립하는 것이다.3. 3. 기타 분야
기상학, 열역학, 건축 환경 공학, 도시 환경 공학, 실내 환경학, 음향학, 공중 보건학, 위생 공학, 환경 화학, 환경 도시 공학, 환경 안전 공학, 연안 환경학, 농업 환경 공학, 구조 안전학, 풍공학, 화학 물질학, 에너지 공학 등을 포함한다.4. 교육
많은 대학교에서 토목공학 또는 화학공학과를 통해 환경 공학 프로그램을 제공하며, 환경 조건을 개발하고 균형을 맞추기 위한 전자 프로젝트도 포함한다.[20]
4. 1. 교과 과정
많은 대학교에서 토목공학 또는 화학공학과를 통해 환경 공학 프로그램을 제공하며, 환경 조건을 개발하고 균형을 맞추기 위한 전자 프로젝트도 포함한다. 토목 공학 프로그램의 환경 공학자들은 종종 수문학, 수자원 관리, 생물 정화, 상수도 및 하수 처리 시설 설계를 중점적으로 다룬다. 화학 공학 프로그램의 환경 공학자들은 환경 화학, 첨단 공기 및 수처리 기술, 분리 공정에 집중하는 경향이 있다.[20] 환경 공학의 일부 하위 분야에는 자원 공학 및 농업 공학이 포함된다.학생들을 위한 강좌는 몇 가지 광범위한 수업으로 나뉜다.
- '''기계 공학''' 강좌는 수처리 및 하수 처리 시설, 펌핑 스테이션, 쓰레기 분리 시설 및 기타 기계 시설과 같이 환경 사용을 위한 기계 및 기계 시스템 설계에 중점을 둔다.
- '''환경 공학''' 또는 '''환경 시스템''' 강좌는 구조물과 조경이 환경과 조화되거나 환경을 보호하도록 건설되는 토목 공학적 접근 방식에 중점을 둔다.
- '''환경 화학''', '''지속 가능한 화학''' 또는 '''환경 화학 공학''' 강좌는 채굴 과정, 오염 물질 및 생화학적 과정을 포함하여 환경 내 화학 물질의 영향을 이해하는 데 중점을 둔다.
- '''환경 기술''' 강좌는 재생 에너지원에서 에너지 생산을 모니터링하고 관리하는 것을 포함하여, 환경 영향을 모니터링, 측정, 모델링 및 제어할 수 있는 장치 및 인공물을 개발할 수 있는 전자 또는 전기 졸업생을 배출하는 데 중점을 둔다.
다음 주제는 환경 공학의 전형적인 교육 과정의 내용을 구성한다.
# 물질 전달 및 에너지 전달
# 환경 화학
## 무기 화학
## 유기 화학
## 핵 화학
# 개체군 역학
## 자원 소비
## 인구 증가
## 경제 성장
# 위험 평가
## 유해성 식별
## 용량-반응 평가
## 노출 평가
## 위험 특성화
## 비교 위험 분석
# 수질 오염
## 수자원 및 오염 물질
## 산소 요구량
## 오염 물질 수송
## 수처리 및 폐수 처리
# 대기 오염
## 산업, 수송, 상업 및 주거 배출
## 기준 및 유해 대기 오염 물질
## 오염 모델링 (예: 대기 확산 모델링)
## 오염 제어
## 대기 오염 및 기상학
# 지구 온난화
## 온실 효과 및 지구 온도
## 탄소 순환, 질소 순환, 및 산소 순환
## IPCC 배출 시나리오
## 해양 변화 (해양 산성화, 기타 지구 온난화가 해양에 미치는 영향) 및 성층권의 변화 (참고 기후 변화의 물리적 영향)
# 고형 폐기물 관리 및 자원 회수
## 전 과정 평가
## 자원 절감
## 폐기물 수집 및 환승 작업
## 재활용
## 폐기물 에너지 전환
## 매립
5. 응용
환경공학은 고대 문명에서부터 현대에 이르기까지 인류의 건강과 환경의 질을 개선하기 위해 다양한 분야에 응용되어 왔다.
인더스 문명(기원전 3300년~기원전 1300년)은 우물, 공중목욕탕, 물 저장 탱크, 도시 전체의 하수 처리 시스템 등 고도화된 수자원 관리 시설을 갖추고 있었다.[14][15] 또한, 관개 시스템을 통해 대규모 농업을 가능하게 했다.[16] 로마는 수도교를 건설하여 가뭄에 대비하고 도시 상수도를 확보했다.[3]
19세기 조지프 바잘게트는 런던의 대악취 이후 최초의 주요 하수도 시스템을 설계했다. 이를 통해 템스강으로 유입되는 하수를 정화하여 콜레라 발생을 줄이고, 수인성 질병을 예방하는 데 기여했다.[14]
현대 환경공학은 유역 내 물 수지를 평가하고, 물을 저장, 처리, 운반하는 시스템을 개발한다. 수돗물 공급 시에는 전염병 및 비전염성 질환 위험을 최소화하고, 마시기 좋은 물맛을 내도록 물을 처리한다. 수도관은 가정용, 소화, 관개 등 다양한 용도에 맞게 설계된다.
폐수 처리는 1차 정화, 2차 처리, 3차 생물학적 질소 제거, 소독 공정 등 다양한 기술을 포함한다.
과학자들은 대기 오염 확산 모델을 개발하여 차량 배기 시스템과 산업 굴뚝 가스 배출구 배출이 대기 질에 미치는 영향을 평가하고, 이산화 탄소 및 온실 가스 배출을 줄이기 위한 노력을 기울인다.
환경공학은 과학 및 공학 원리를 적용하여 개발 사업이 환경에 미치는 부정적인 영향을 평가하고, 이를 완화하기 위한 조치를 개발한다. 예를 들어, 습지를 보존하기 위해 다른 지역에 습지를 조성하는 것이 있다.
미국에서는 1970년 국립 환경 정책법 (NEPA) 시행 이후 환경 평가가 공식적으로 시작되었으며, 다른 많은 국가에서도 유사한 법률을 시행하거나 관련 절차를 채택하고 있다.[25]
5. 1. 상수도 공급 및 처리
사람들이 건강이 환경의 질과 관련이 있다는 것을 인식하면서, 고대 인더스 문명(기원전 3300년~기원전 1300년)은 수자원을 고급적으로 관리했다.[14] 이 지역의 여러 유적에서 발견된 공공 시설물에는 우물, 공중 목욕탕, 물 저장 탱크, 식수 시스템, 도시 전체의 하수 처리 시스템 등이 있었다.[14][15] 또한 대규모 농업을 가능하게 하는 초기 운하 관개 시스템도 갖추고 있었다.[16]로마의 첫 번째 수도교는 기원전 312년에 건설되었으며, 로마인들은 가뭄 동안 관개와 안전한 도시 상수도를 위해 수도교를 계속 건설했다.[3]
19세기 조지프 바잘게트(Joseph Bazalgette)가 대악취(Great Stink) 이후 최초의 주요 하수도 시스템을 설계하면서, 도시의 하수 시스템은 정화되지 않은 하수를 템스강으로 운반했고, 이는 도시 식수의 대부분을 공급하여 콜레라 발생을 초래했다.[14] 산업 국가에서 식수 처리 및 하수 처리가 도입되면서 수인성 질병이 사망의 주요 원인에서 드물게 발생하는 질병으로 감소했다.[18]
환경 공학자는 유역 내의 물 수지(water balance)를 평가하고, 가용 수량, 해당 유역의 다양한 필요를 위한 물의 양, 유역을 통한 물의 계절적 이동 주기를 결정하며, 다양한 용도로 물을 저장, 처리 및 운반하는 시스템을 개발한다.
물은 최종 사용 목적에 맞는 수질 목표를 달성하기 위해 처리된다. 수돗물 공급의 경우, 전염병 전파 위험을 최소화하고, 비전염성 질환 위험을 줄이며, 마시기 좋은 물맛을 내도록 물을 처리한다. 수도관은 가정용, 소화, 관개 등 다양한 최종 사용자 요구 사항을 충족하기 위해 적절한 수압 및 유량을 제공하도록 설계 및 건설된다.
5. 2. 폐수 처리
고대 인더스 문명 (기원전 3300년~기원전 1300년)은 수자원을 고급적으로 관리했으며, 이 지역 유적에서 발견된 공공 시설물에는 우물, 공중 목욕탕, 물 저장 탱크, 식수 시스템, 도시 전체의 하수 처리 시스템 등이 있었다.[14][15] 기원전 4000년에서 2000년 사이에는 메소포타미아, 모헨조다로, 이집트, 크레테, 스코틀랜드의 오크니 제도를 포함한 많은 문명이 배수 시스템과 위생 시설을 갖추고 있었다.[3] 그리스인들도 관개와 밭에 비료를 주기 위해 빗물과 폐수를 사용한 수로와 하수 시스템을 가지고 있었다.[3]조지프 바잘게트(Joseph Bazalgette)가 대악취(Great Stink) 이후 최초의 주요 하수도 시스템을 설계한 19세기 중반 런던에서 현대 환경 공학이 시작되었다.[14] 도시의 하수 시스템은 정화되지 않은 하수를 템스강으로 운반했는데, 이는 도시 식수 대부분을 공급하여 콜레라 발생을 초래했다.[14] 산업 국가에서 식수 처리 및 하수 처리가 도입되면서 수인성 질병이 사망의 주요 원인에서 드물게 발생하는 질병으로 감소했다.[18]
폐수 처리에는 여러 기술이 있다. 폐수 처리 계열은 고체 및 부유 물질을 제거하기 위한 1차 정화 시스템, 폭기조와 그 뒤에 이어지는 응집 및 침전 또는 활성 슬러지 시스템과 2차 정화조로 구성된 2차 처리 시스템, 3차 생물학적 질소 제거 시스템, 마지막 소독 공정으로 구성될 수 있다. 폭기조/활성 슬러지 시스템은 박테리아(활성 슬러지)를 성장시켜 유기 물질을 제거한다. 2차 정화조는 물에서 활성 슬러지를 제거한다. 3차 시스템은 질소와 인을 제거하고 표면수 또는 해양 배출구로 방류하기 전에 물을 소독한다.[24]
5. 3. 대기 오염 관리
사람들은 건강이 환경의 질과 관련이 있다는 것을 인식하면서, 이를 개선하기 위한 시스템을 구축하였다.[3] 과학자들은 차량 배기 시스템과 산업 굴뚝 가스 배출구 배출이 수용 지점의 오염 물질 농도 또는 전반적인 대기 질에 미치는 영향을 평가하기 위해 대기 오염 확산 모델을 개발했다. 어느 정도까지 이 분야는 연소 과정에서 발생하는 이산화 탄소 및 기타 온실 가스 배출 감소에 대한 열망과 중복된다.5. 4. 환경 영향 평가 및 완화
환경 공학자는 과학 및 공학 원리를 적용하여 수질, 대기 질, 서식지의 질, 식물군 및 동물군, 농업 생산 능력, 교통, 생태 및 소음에 부정적인 영향이 있을지 평가한다. 영향이 예상되는 경우 이러한 영향을 제한하거나 방지하기 위한 완화 조치를 개발한다. 완화 조치의 예로는 도로를 우회하는 것이 불가능할 경우 도로 개발에 필요한 습지를 채우는 것을 완화하기 위해 인근 지역에 습지를 조성하는 것이 있다.미국에서 환경 평가는 1970년 1월 1일, 국립 환경 정책법 (NEPA)의 시행일에 공식적으로 시작되었다.[25] 그 이후 100개 이상의 개발도상국과 선진국이 유사한 특정 법률을 계획하거나 다른 곳에서 사용되는 절차를 채택했다. NEPA는 미국의 모든 연방 기관에 적용된다.[25]
6. 관련 기관 및 협회
미국 환경 보호청(EPA)은 환경 공학자와 협력하여 중요한 문제를 해결하는 여러 기관 중 하나이다. EPA는 유해한 영향의 결과를 피하거나 완화하기 위해 대기, 수질 및 전반적인 환경의 질을 보호하고 개선하는 것을 목표로 한다.
- 미국 환경 공학 및 과학 아카데미
- 환경 공학 및 과학 교수 협회
- 환경 전문가 협회
- 대기 분산 모델링
- 유럽 환경 공학 학회 연합
- 환경 관리 및 평가 연구소
- 환경 기술자 협회
참조
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