Vides inženierzinātne pēta ilgtspējas aspektus rūpnieciskās un lauksaimnieciskās ražošanas, energoapgādes un ūdens apgādes, atkritumu apsaimniekošanas un citu nozaru tehnoloģisko sistēmu, procesu un infrastruktūru attīstību no ietekmes uz vidi novēršanas, likvidēšanas un samazināšanas viedokļa. Vides inženierzinātņu pētījumu lokā ietilpst arī pētījumi par siltumnīcas efekta gāzēm (SEG) un to emisijām klimata pārmaiņu kontekstā.
vides inženierzinātne
starpdisciplināra nozare, kas integrē inženierzinātni vides zinātnēs, lai pētītu vides piesārņojumu, tā cēloņus, novēršanas un samazināšanas iespējas un risinājumus, kā arī lai analizētu, modelētu un pārvaldītu dabas resursu ilgtspējīgu, efektīvu un inovatīvu ieguvi un pārstrādi
Saistītie šķirkļi
Ilgtspējīgas mājas celtniecība no izlietotām riepām, kannām, pudelēm un citiem materiāliem. Kolonija del Sakramento, Urugvaja, 12.02.2019.
Satura rādītājs
Praktiskā un teorētiskā nozīme
Vides inženierzinātne izmanto tehnoloģiskā progresa iespējas vides problēmu risināšanā, piemēram, skābo lietu, globālās sasilšanas, ūdens piesārņojuma, gaisa piesārņojuma samazināšanā; palīdz novērst ūdens zudumus, energozudumus; attīsta inovatīvas atkritumu pārstrādes tehnoloģijas. Tādējādi tai ir nenovērtējama nozīme vides kvalitātes un visu dzīvo organismu, tai skaitā cilvēka, veselības uzlabošanā. Vides inženierzinātnes teorētiskās atziņas tiek izmanotas ķīmijā, bioloģijā, ekoloģijā, ģeoloģijā, hidraulikā, mikrobioloģijā un citās zinātņu nozarēs.
Vieta zinātnes klasifikācijā
Vides inženierzinātne ir vides zinātnes apakšnozare. Tā attīstījusies vienlaikus ar inženierzinātnēm būvniecībā, enerģētikā, ķīmijā un mehānikā, kā arī ar citām problēmorientētām zinātnes nozarēm: nanozinātni, materiālzinātni, molekulāro bioloģiju un citām. Vides inženierzinātne ir cieši saistīta ar matemātiku, inženierzinātni, ekoloģiju, bioloģiju, ģeoloģiju, ekonomiku, lauksaimniecību, mežsaimniecību, sociālajām zinātnēm.
Galvenās teorijas un metodes. Galvenie sastāvelementi
Zinātniskā izpēte notiek dažādos virzienos, ko nosaka vides inženierzinātņu struktūra, kas ietver šādus galvenos sastāvelementus:
- vides piesārņojuma cēloņi un jomas: gaisa baseina piesārņojuma avoti; atkritumu pārvaldība; ūdensapgāde un notekūdeņu saimniecība; energoapgāde; rūpniecība un lauksaimniecība;
- vides tehnoloģijas: “caurules gala” tehnoloģijas tīrāka ražošana; ekodizains; klimata tehnoloģijas; industriālā simbioze; biotehnoloģijas;
- vides un inženiertehnisko procesu analīze, modelēšana un simulēšana: vides pārvaldība; esošo datorprogrammu lietojuma anlīze un adaptācija; jaunu, videi draudzīgu tehnoloģisko sistēmu matemātiskais apraksts, modeļa izveide un aprobācija; vides piesārņojuma monitorings un kontrole; vides piesārņojuma seku modelēšana; sistēmdinamikas modelēšana; aprites cikla analīze; ietekmes uz vidi novērtējums.
Vides piesārņojuma cēloņu novēršana un samazināšana ir atkarīga no jomas, kurā tas rodas, no vietas, piesārņojuma rakstura un lieluma, faktoriem, kas to ietekmē, kā arī no iespējām to samazināt. Ietekmes uz vidi un klimata pārmaiņu samazināšanas iespējas ir atkarīgas no inženiertehniskajiem risinājumiem, kuru izvēle ir atkarīga no piesārņotāju fizikālajiem parametriem, ķīmiskā sastāva, efektivitātes, inovācijas pakāpes un citiem faktoriem. Inženiertehnisko risinājumu plašo spektru ilustrē labāko pieejamo tehnoloģiju pieejamība (Best Available Technologies, BAT) Eiropā un pasaulē.
Ekomājas Taosā, Ņūmeksikā. ASV, 2018. gads.
Vides inženierzinātnes problēmas risina ar atšķirīgu metodiku palīdzību. Izvēloties metodiku, svarīgi izvērtēt, kādi būs ieguvumi un zaudējumi un kā vides inženierzinātņu risinājumi ietekmēs vidi tagad un nākotnē. Tiek izvērtēts, cik ilgtspējīgs ir dabas resursu lietotājs un vai iespējams paaugstināt resursu ieguvēja un lietotāja darbības efektivitāti, lai ar vides tehnoloģiju palīdzību ne tikai mazinātu ražotnes ietekmi uz vidi, bet sasniegtu ražošanu bez atlikumiem un emisijām. Labākie tehnoloģiju risinājumi top ražotnēs, kur tiek identificētas un analizētas efektivitātes paaugstināšanas iespējas. Vides tehnoloģiju attīstību un izmantošanas secību un prioritātes nosaka vides inženierzinātņu speciālisti, kas veic vides auditu un novērtē procesus uzņēmumā, nosaka vides piesārņojuma avotus, cēloņus un to radītās sekas un sagatavo piesārņojuma samazināšanas priekšlikumus un koncepciju.
Vides piesārņojuma samazināšanas koncepcijas shēma.
Prioritārs ir tehnoloģiskais risinājums, kas piedāvā likvidēt vides piesārņojuma cēloņus vai samazināt to ietekmi. Tikai pēc tam, kad ir aplūkotas visas iespējas nepieļaut vides piesārņojuma avotu veidošanos, pievēršas seku likvidēšanai.
Vides piesārņojuma koncepcijas sagatavošana sākas, vispirms izpētot vides piesārņojuma cēloņu likvidēšanas vai to ietekmes samazināšanas veidus un analizējot visas iespējas prioritāšu secībā. 1. prioritāte – piesārņojuma aizkavēšana un novēršana. To panāk ar šādām metodēm: materiālu aizvietošanu (piemēram, krāsvielas, kas bāzētas uz toksiskiem šķīdinātājiem, aizvietojot ar ūdens šķīdumu); zema potenciāla siltumenerģijas izmantošanu (piemēram, izmantojot kondensāta siltumu zemas temperatūras siltumapgādes sistēmā); procesu skaita samazināšanu (piemēram, apvienojot mazgāšanu un pulēšanu); organizatoriskiem uzlabojumiem un gadījuma rakstura piesārņojuma novēršanu darba vietās. 2. prioritāte – piesārņojuma samazināšana. Ja nav iespējams pilnīgi novērst cēloņus, tad jāsamazina piesārņojums, izmantojot šādas metodes: daļēja samazināšana (piemēram, izmantojot mazāku šķīdinātāja koncentrāciju); labāka ražotnes pārvaldība, samazinot izbiršanas, izlīšanas iespējas; procesa pārprojektēšana, lai sasniegtu augstāku efektivitāti; labāka darbaspēka apmācība, paaugstinot motivāciju, apzinīgumu, zināšanas un novēršot nekārtību; atkārtota materiālu un ūdens izmantošana, kur iespējams, (piemēram, mazāk ūdens lietot skalošanai, iekonservēt iekārtas, ja tās nelieto). 3. prioritāte – atkārtota lietošana: lietojot materiālus atkārtoti, var samazināt ražošanas procesu izmaksas un piesārņojumu. Metodes: izmantot iekārtu skalošanas ūdeni; vairākkārt izmantot iepakojumu; paplašināt atkritumu izmantošanas iespējas (piemēram, zāģu skaidas var lietot kā kurināmo vai ražot granulas). 4. prioritāte – iekšēja reciklēšana: iepriekš izmantotus materiālus ir iespējams izmantot ražošanas procesā. Metodes: veidot piegrieztnes šūšanas darbnīcā tā, lai veidojas minimāli atkritumi, atgriezumus izmantot citu izstrādājumu šūšanai; attīrīt iekārtu dzesēšanai izmantoto aukstumnesēju un izmantot to atkārtoti. 5. prioritāte – ārēja reciklēšana. Ja ražošanas atkritumus uzņēmuma iekšienē nevar izmantot ražošanas procesā, tos var pārdot vai atdot citam uzņēmumam (piemēram, otrreiz pārstrādāt plastmasas iepakojumu, stikla pudeles, metālu). Ja likvidēt visus vides piesārņojuma cēloņus nav iespējams, pielieto seku likvidēšanas metodes jeb “caurules gala” tehnoloģijas. 6. prioritāte – tehnoloģisko dūmgāzu, notekūdeņu attīrīšana no kaitīgām emisijām, lai tās nenonāktu gaisa baseinā, ūdens tilpnēs un augsnē. Metodes: kaitīgu šķidrumu un gāzu emisiju dedzināšana; ūdens bioloģiskā attīrīšana; tehnoloģisko gāzu nosūces sistēmu gaisa attīrīšana. 7. prioritāte – atkritumi. Ja visi pārējie pasākumi ir veikti, tad vispiemērotākais ražošanas pārpalikumu uzglabāšanas veids ir poligoni. Poligoniem ir jābūt drošiem un efektīviem.
Nulles emisijas koncepcijas īstenošanā izmanto pakāpeniskuma principu: soli pa solim virzoties no vienkāršākā risinājuma uz sarežģītāko.
Nulles emisijas koncepcijas īstenošanas shēma.
1. solis. Pilnīgas caurlaidspējas ražotne – balstās uz ideju, ka visas izejvielas, kuras ievada ražošanas procesā, tiek pārstrādātas pilnībā: ar minimālu izejvielu daudzumu iegūst maksimālu gatavā produkta apjomu. 2. solis. Produkcijas-izejvielu modelis – ietver divas risinājumu grupas: visu atkritumu inventarizāciju, lai noteiktu, kas nav ticis patērēts gatavajā produktā un ražošanas procesā; meklēt citus ražošanas procesus, kuros varētu izmantot pārpalikumus vai to komponentus. 3. solis. Ražotņu kopas izveide. Šo modeli lieto, lai noteiktu potenciālās ražotnes, kuras varētu apvienot kopās jeb puduros. Ražotņu puduru izveidē ir svarīgi noteikt optimālos parametrus, piemēram, izmērus un dalībnieku skaitu. 4. solis. Inovatīvu tehnoloģiju modelis. Ja pašreizējā inženiertehniskā ekspertīze un tehnoloģiskie procesi nespēj nodrošināt efektīvu un ekonomiski izdevīgu ražotņu apvienošanu vienā shēmā saskaņā ar produkcijas-izejvielu modeli, jādara viss, lai izveidotu inovatīvas tehnoloģijas vai sistēmas dizainu, kas sasniegtu nulles emisijas mērķi. 5. solis. Ražošanas politika. Nulles emisijas koncepcijas izveidei un realizācijai ir svarīgi, lai valsts politika būtu vērsta uz ražošanas puduru izveidi. Nepieciešama ne tikai valdības pārstāvju, bet arī ražotņu un zinātnisko institūciju pārstāvju radoša sadarbība, lai kopīgu produktu ražošanā apvienotu rūpniecības nozares, kas iepriekš vēsturiski nav sadarbojušās. Viena no pirmajām nulles emisijas koncepcijām realizēta alus ražotnē Namībijā. Tajā iekļauti dažādi papildu procesi vai ražotnes, kur tiek izmantoti ražošanas cietie un šķidrie atkritumi: atlikumi no graudu masas sēņu audzēšanai, putnu barības proteīni, sārmaino notekūdeņu izmantošana tirgū pieprasīto aļģu audzēšanai, biogāzes ražošana no organiskajiem atkritumiem un specifisku ražošanas atlikumu padeve uz zivju dīķiem. Vides inženierzinātnes ieguldījums klimata tehnoloģiju attīstībā ir cieši saistīts ar vides tehnoloģijām un jaunām tehnoloģijām, kurām SEG emisiju līmenis ir vienāds ar nulli (piemēram, saules un vēja enerģijas izmantošana), vai tādām tehnoloģijaām, kas piesaista CO2, kas rodas tehnoloģiskajā procesā.
Ekomājas iekšskats. Taosa, Ņūmeksika, ASV, 2018. gads.
Ekomājas no riepām, pudelēm, betona, un citiem materiāliem. Taosa, Ņūmeksika, ASV, 2018. gads.
Īsa vēsture
Vides inženierzinātnes aizsākumi meklējami būvniecībā 20. gs. 50. gados, kad to dēvēja par sanitāro inženierzinātni. 20. gs. 60. gadu vidū tika atrasts piemērotāks nosaukums: vides inženierzinātne. Turpmākos 50 gadus vides inženierzinātne strauji attīstījās. Ja 20. gadsimta vidū bija pazīstamas tikai vides piesārņojuma seku likvidēšanas tehnoloģijas, kas tika īstenotas ar “caurules gala” tehnoloģiju izveidi un izpēti, tad jau 20. gs. 80. gados vairāk uzmanības tika pievērsts vides piesārņojuma cēloņu izpētei. Sākās ceļš uz bezatlikumu tehnoloģiju izstrādi, kuru realizācija mūsdienās ir sasniegusi nulles emisiju ražotnes īstenošanas fāzi. Tehnoloģisko risinājumu izpētē un radīšanā, procesu modelēšanā, labāko pieejamo tehnoloģiju izveidē un to darbības pilnveidošanā svarīgu lomu spēlē zinātniskā izpēte.
Vēsturisks pagrieziens vides inženierzinātnes attīstībā notika pēc Apvienoto Nāciju Organizācijas (ANO) Vides un attīstības konferences (United Nations Conference on Environment and Development, UNCED) 1992. gadā. Tajā tika aktualizēta SEG emisiju avotu izpēte, lai mazinātu ietekmi uz klimata pārmaiņām. Kopš 1995. gada katru gadu pasaules valstu pārstāvji tiekas ANO Klimata pārmaiņu konferencēs (United Nations Climate Change conferences) Pušu konferenču (Conference of Parties, COP) ietvaros un sagatavo uzdevumus SEG samazināšanai. 1997. gadā Kioto samitā COP 3 tika sagatavots Kioto klimata pārmaiņu protokols (The Kyoto Protocol on Climate Change), kas tika izveidots kā līdzeklis cīņā pret globālo sasilšanu. To vajadzēja ratificēt visu pasaules valstu parlamentiem. Kaut arī šo dokumentu ratificēja tikai daļa valstu, kuru ieguldījums SEG emisiju izkliedē atmosfērā bija neliels, Eiropas Savienības (ES) dalībvalstis aktīvi piedalījās siltumnīcefekta gāzu emisiju inventarizācijā, monitoringā un trīs emisijas tirdzniecības mehānismu ieviešanā ne tikai ES, bet arī attīstības valstīs.
Pašreizējā attīstība
2015. gadā Parīzē COP 21 lēma par jaunām SEG emisiju samazināšanas aktivitātēm valdību līmenī. 21. gs. sākumā būtiski papildinājusies zinātniskā izpēte vides inženierzinātnēs ar uzsvaru uz zema oglekļa (low carbon) tehnoloģisko sistēmu un procesu modelēšanu, izveidi un darbināšanas pārvaldību.
Vides inženierzinātņu izpēte pēdējo gadu laikā ir ļāvusi attīstīt tehnoloģiskos risinājumus tīru tehnoloģiju virzienā: maksimāli efektīva resursu izmantošana, samazinot atkritumu veidošanos. Jebkurš risinājums, kas novērš atkritumu rašanos vai paredz tos izmantot kā izejvielu citam procesam, ir pasākums vides un cilvēku veselības aizsardzībai. Attīstības stadijā ir nulles emisijas idejas realizācija, kuras mērķis ir panākt, ka emisijas gaisā, notekūdeņu un cieto atkritumu daudzums ir vienāds ar nulli. Nulles emisijas ražotne ir tehnoloģisko procesu kopa, kuru realizējot, izejvielas tiek izmantotas pilnā apjomā un pārvērstas gatavos produktos. To īsteno ar industriālās simbiozes palīdzību. Apvienoto Nāciju universitāte (United Nations University, 国際連合大学) Tokijā ar nulles emisiju procesa iniciatīvu (Zero Emission Research Initiative, ZERI) ir pabeigusi pirmo nulles emisijas ražotnes projektu Namībijā.
Nulles emisijas alus ražotne Namībijā – koncepcijas shēma.
Vadošās pētniecības iestādes
Vides inženierzinātņu pētniecības iestādes un universitātes ģeogrāfiski visvairāk atrodas Ziemeļamerikā. 2015. gadā ASV darbojās 214 universitātes un koledžas, kurās īsteno izpēti un apmācību vides inženierzinātnēs bakalaura, maģistra un doktorantūras līmeņos: Teksasā – 17, Ņujorkā – 17, Ohaijo – 15; Pensilvanijā – 13; Kalifornijā – 11. Eiropā vides inženierzinātnes zinātniskās izpētes un universitāšu programmas attīstās lēnāk. Pazīstamākās ir Mančesteras Universitāte (University of Manchester) Lielbritānijā, Hamburgas Tehniskā universitāte (Technische Universität Hamburg) un Minhenes Tehniskā universitāte (Technische Universität München) Vācijā. Pirmās universitātes Baltijas valstīs, kas īsteno vides inženierzinātņu programmas un izpēti, ir Viļņas Ģedimina Tehniskā universitāte (Vilniaus Gedimino Technikos Universitetas) Lietuvā un Rīgas Tehniskā universitāte Latvijā.
Organizācijas, kas virza uz priekšu vides inženierzinātņu nozari ar izpētes un inovatīvu risinājumu pieprasījumiem: Starpvaldību klimata pārmaiņu panelis (Intergovernmental panel on Climate Change, IPCC) – zinātnisko ideju pasūtītājs klimata tehnoloģiju attīstībā; Integrētais vides piesārņojuma novēršanas un kontroles centrs (Integrated pollution prevention and control, IPPC) – zinātnisko ideju attīstītājs vides piesārņošanas novēršanā un regulēšanā Eiropā.
Nozīmīgākie izdevumi
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi: Bioresource Technology (kopš 1979. gada, Elsevier), Water Research (kopš 1967. gada, Elsevier), Ecological Engineering (kopš 1992. gada, Elsevier), Environmental Science & Technology (kopš 1967. gada, ACS), Journal of Environmental Engineering (kopš 1956. gada, ASCE), Environmental Modelling & Software (kopš 1997. gada, Elsevier) un citi.
Ievērojamākie pētnieki
Amerikāņu vides ķīmiķe Ellena Ričardsa (Ellen Henrietta Swallow Richards) – 19. gs. attīstīja cilvēka dzīves vides kvalitātes jēdzienu; Marks Edvardss (Marc Edwards) – amerikāņu ūdens attīrīšanas un korozijas inženieris, pētījis smago metālu saturu dzeramajā ūdenī; Daniels Valero (Daniel A. Vallero) – amerikāņu vides zinātnieks, inženieris un rakstnieks, attīstīja zaļo inženieriju, zaļo arhitektūru un aprites cikla analīzes pielietojumu inženierzinātnēs; Eibels Vulmans (Abel Wolman) – amerikāņu inženieris-ekologs, sanitārās inženierijas pionieris, kopīgi ar Linu Enslavu (Linn Harrison Enslow) ieviesa un attīstīja ūdens hlorēšanas sistēmu; Tomass Kristensens (Thomas H. Christensen) – dāņu vides inženieris, attīsta atkritumu izgāztuvju efektīvas apsaimniekošanas metodes; Oke Bergmans (Bengt Åke Lennart Bergman) – zviedru vides ķīmiķis, attīsta vidi piesārņojošo vielu analīzes metodes.
Multivide
Ilgtspējīgas mājas celtniecība no izlietotām riepām, kannām, pudelēm un citiem materiāliem. Kolonija del Sakramento, Urugvaja, 12.02.2019.
1. attēls. Vides inženierzinātņu ieguldījuma attīstība laika gaitā.
Ekomājas Taosā, Ņūmeksikā. ASV, 2018. gads.
Ekomājas iekšskats. Taosa, Ņūmeksika, ASV, 2018. gads.
Ekomājas no riepām, pudelēm, betona, un citiem materiāliem. Taosa, Ņūmeksika, ASV, 2018. gads.
Vides piesārņojuma samazināšanas koncepcijas shēma.
Nulles emisijas koncepcijas īstenošanas shēma.
Nulles emisijas alus ražotne Namībijā – koncepcijas shēma.