الهندسة البيئية

الهندسة البيئية مصطلح يُطلق على الأعمال التي تُمارس منذ الحضارات القديمة، حيث تعلم الإنسان تعديل الظروف البيئية والتحكم بها لتلبية احتياجاته. ^{[ 4 ] [ 14 ]} ولما أدرك الإنسان أن صحته مرتبطة بجودة بيئته ، أنشأ أنظمة لتحسينها . ^{[ 4 ]} وقد تميزت حضارة وادي السند القديمة (3300 قبل الميلاد إلى 1300 قبل الميلاد) بتحكمها المتقدم في مواردها المائية . ^{[ 14 ]} وتشمل منشآت الأشغال العامة الموجودة في مواقع مختلفة بالمنطقة الآبار، والحمامات العامة، وخزانات المياه، ونظام مياه الشرب، ونظام تجميع مياه الصرف الصحي على مستوى المدينة. ^{[ 14 ] [ 15 ]} كما امتلكوا نظام ري مبكرًا بالقنوات، مما مكّنهم من ممارسة الزراعة على نطاق واسع. ^{[ 16 ]}

بين عامي 4000 و2000 قبل الميلاد، امتلكت العديد من الحضارات أنظمة تصريف مياه، وبعضها مرافق صرف صحي، بما في ذلك الإمبراطورية الميزوبوتامية ، وموهينجو دارو ، ومصر، وكريت، وجزر أوركني في اسكتلندا. ^{[ 4 ]} كما امتلك الإغريق قنوات مائية وشبكات صرف صحي استخدمت مياه الأمطار ومياه الصرف الصحي لري الحقول وتخصيبها. ^{[ 4 ]}

شُيّد أول قناة مائية في روما عام 312 قبل الميلاد، واستمر الرومان في بناء القنوات المائية للري وتوفير المياه الآمنة للمدن خلال فترات الجفاف. ^{[ 4 ]} كما بنوا نظام صرف صحي تحت الأرض في وقت مبكر من القرن السابع قبل الميلاد، يصب في نهر التيبر، لتجفيف المستنقعات وتحويلها إلى أراضٍ زراعية، بالإضافة إلى تصريف مياه الصرف الصحي من المدينة. ^{[ 4 ] [ 14 ]}

لم تشهد البلاد تغييراً يُذكر منذ انهيار الإمبراطورية الرومانية وحتى القرن التاسع عشر، حيث شهدت تحسيناتٌ ملحوظةٌ تمحورت حول تعزيز الصحة العامة في المراكز الحضرية المكتظة بالسكان. ^{[ 14 ] [ 17 ]} بدأ التطور الحديث للهندسة البيئية في لندن في منتصف القرن التاسع عشر عندما صمم جوزيف بازالجيت أول نظام صرف صحي رئيسي في أعقاب كارثة الرائحة الكريهة الكبرى . ^{[ 14 ]} كان نظام الصرف الصحي في المدينة ينقل مياه الصرف الصحي الخام إلى نهر التايمز ، الذي كان يزود المدينة أيضاً بمعظم مياه الشرب، مما أدى إلى تفشي وباء الكوليرا . ^{[ 14 ]} ساهم إدخال معالجة مياه الشرب ومعالجة مياه الصرف الصحي في الدول الصناعية في خفض الأمراض المنقولة بالمياه من كونها من الأسباب الرئيسية للوفاة إلى حالات نادرة. ^{[ 18 ]}

برز هذا المجال كتخصص أكاديمي مستقل في منتصف القرن العشرين استجابةً للقلق الشعبي الواسع النطاق بشأن تلوث المياه والهواء وغيره من مظاهر التدهور البيئي على المستوى الوطني. ومع ازدياد تعقيد المجتمع والتكنولوجيا، تزايدت الآثار غير المقصودة على البيئة الطبيعية. ومن الأمثلة على ذلك الاستخدام الواسع النطاق لمبيد DDT لمكافحة الآفات الزراعية في السنوات التي أعقبت الحرب العالمية الثانية . وتُعتبر قصة DDT، كما رُويت بوضوح في كتاب راشيل كارسون " الربيع الصامت " (1962)، بمثابة ميلاد الحركة البيئية الحديثة ، ^{[ 19 ]} التي أدت إلى ظهور تخصص "الهندسة البيئية" المستقل.

مع تزايد قدرة البشر على التأثير في البيئة العالمية، أدرك تخصص الهندسة البيئية دوره في حل التحديات الكبرى للقرن الحادي والعشرين. ^{[ 20 ]} وتشمل خمسة مجالات للفرص، حيث يتمتع مهندسو البيئة بموقع فريد للتأثير إيجابًا على البيئة العالمية، ما يلي:

1. توفير الغذاء والماء والطاقة بشكل مستدام
2. الحد من تغير المناخ والتكيف معه
3. تصميم مستقبل خالٍ من التلوث والنفايات
4. إنشاء مدن فعالة وصحية ومرنة
5. تعزيز اتخاذ القرارات والإجراءات المستنيرة

كما تم تحديد تحدٍ كبير سادس في التقرير، وهو تعليم القوى العاملة المستقبلية.

استنادًا إلى هذا التقرير، عرّف دانيال ب. أورثر وزملاؤه الهندسة البيئية 3.0 بأنها مراعاة "صحة وسلامة ورفاهية الجمهور، بالإضافة إلى صحة الكوكب الذي تعتمد عليه جميع أشكال الحياة". ^{[ 21 ]} وكمثال على أبحاث التقارب ، تُعرَّف الهندسة البيئية الحديثة بأنها استخدام "التخصصات الهندسية في تطوير حلول لمشاكل صحة الكوكب ". ^{[ 22 ]}

تشمل المواضيع التالية المنهج الدراسي النموذجي في الهندسة البيئية: ^{[ 24 ]}

1. انتقال الكتلة والطاقة
2. الكيمياء البيئية
   1. الكيمياء غير العضوية
   2. الكيمياء العضوية
   3. الكيمياء النووية
3. نماذج النمو
   1. استهلاك الموارد
   2. النمو السكاني
   3. النمو الاقتصادي
4. تقييم المخاطر
   1. تحديد المخاطر
   2. تقييم الاستجابة للجرعة
   3. تقييم التعرض
   4. توصيف المخاطر
   5. تحليل المخاطر المقارن
5. تلوث المياه
   1. الموارد المائية والملوثات
   2. الطلب على الأكسجين
   3. نقل الملوثات
   4. معالجة المياه ومياه الصرف الصحي
6. تلوث الهواء
   1. الانبعاثات الصناعية والنقلية والتجارية والسكنية
   2. المعايير وملوثات الهواء السامة
   3. نمذجة التلوث (مثل نمذجة الانتشار الجوي )
   4. مكافحة التلوث
   5. تلوث الهواء والأرصاد الجوية
7. التغير العالمي
   1. تأثير الاحتباس الحراري ودرجة الحرارة العالمية
   2. دورة الكربون والنيتروجين والأكسجين​
   3. سيناريوهات انبعاثات الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ
   4. التغيرات المحيطية ( تحمض المحيطات ، والآثار الأخرى للاحتباس الحراري على المحيطات ) والتغيرات في طبقة الستراتوسفير (انظر الآثار الفيزيائية لتغير المناخ ).
8. إدارة النفايات الصلبة واستعادة الموارد
   1. تقييم دورة الحياة
   2. الحد من المصدر
   3. عمليات التجميع والتحويل​
   4. إعادة التدوير
   5. تحويل النفايات إلى طاقة
   6. مكب النفايات

يقوم مهندسو البيئة بتقييم التوازن المائي داخل مستجمعات المياه وتحديد إمدادات المياه المتاحة، والمياه اللازمة لمختلف الاحتياجات في مستجمعات المياه تلك، والدورات الموسمية لحركة المياه عبر مستجمعات المياه، كما يقومون بتطوير أنظمة لتخزين المياه ومعالجتها ونقلها لاستخدامات مختلفة.

تُعالج المياه لتحقيق معايير جودة المياه المطلوبة للاستخدامات النهائية. ففي حالة إمدادات مياه الشرب ، تُعالج المياه لتقليل خطر انتقال الأمراض المعدية ، وخطر الإصابة بالأمراض غير المعدية ، ولتحسين مذاقها. تُصمم وتُبنى شبكات توزيع المياه ^{[ 25 ] [ 26 ]} لتوفير ضغط وتدفق مياه كافيين لتلبية احتياجات المستخدمين المختلفة، مثل الاستخدام المنزلي، ومكافحة الحرائق، والري .

تتعدد تقنيات معالجة مياه الصرف الصحي . قد تتألف سلسلة معالجة مياه الصرف الصحي من نظام ترسيب أولي لإزالة المواد الصلبة والعائمة، ونظام معالجة ثانوي يتكون من حوض تهوية متبوعًا بالتلبيد والترسيب، أو نظام حمأة منشطة مع نظام ترسيب ثانوي، ونظام معالجة بيولوجية ثالثية لإزالة النيتروجين ، وعملية تطهير نهائية . يعمل نظام حوض التهوية/الحمأة المنشطة على إزالة المواد العضوية عن طريق تنمية البكتيريا (الحمأة المنشطة). ويقوم نظام الترسيب الثانوي بإزالة الحمأة المنشطة من الماء. أما النظام الثالثي، فرغم أنه لا يُدرج دائمًا بسبب التكاليف، إلا أنه أصبح أكثر شيوعًا لإزالة النيتروجين والفوسفور وتطهير المياه قبل تصريفها إلى مجرى مائي سطحي أو مصبّ في المحيط. ^{[ 27 ]}

طوّر العلماء نماذج لانتشار تلوث الهواء لتقييم تركيز الملوثات في مناطق محددة أو تأثير انبعاثات عوادم المركبات وغازات المداخن الصناعية على جودة الهواء بشكل عام . ويتداخل هذا المجال، إلى حد ما، مع الرغبة في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وغيره من غازات الدفيئة الناتجة عن عمليات الاحتراق.

يطبق مهندسو البيئة المبادئ العلمية والهندسية لتقييم احتمالية وجود أي آثار سلبية على جودة المياه والهواء، وجودة الموائل ، والنباتات والحيوانات ، والقدرة الزراعية، وحركة المرور ، والبيئة، والضوضاء. وفي حال توقع حدوث آثار سلبية، يقومون بوضع تدابير للتخفيف منها أو منعها. ومن أمثلة هذه التدابير إنشاء أراضٍ رطبة في موقع قريب للحد من ردم الأراضي الرطبة اللازمة لتطوير طريق ، إذا تعذر تغيير مسار الطريق.

في الولايات المتحدة، بدأ تطبيق التقييم البيئي رسميًا في 1 يناير 1970، وهو تاريخ سريان قانون السياسة البيئية الوطنية (NEPA). ومنذ ذلك الحين، قامت أكثر من 100 دولة، نامية ومتقدمة، إما بوضع قوانين مماثلة أو اعتماد إجراءات مماثلة مستخدمة في دول أخرى. وينطبق قانون السياسة البيئية الوطنية على جميع الوكالات الفيدرالية في الولايات المتحدة. ^{[ 28 ]}

تُعدّ وكالة حماية البيئة الأمريكية ( EPA) إحدى الوكالات العديدة التي تعمل مع مهندسي البيئة لحلّ المشكلات الحرجة. ويتمثّل أحد العناصر الأساسية لمهمة الوكالة في حماية وتحسين جودة الهواء والماء والبيئة بشكل عام لتجنّب أو تخفيف آثارها الضارة.