강의 개요

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

강의 개요

- 강의계획서

- 교과목명: 환경공학 - 447.321(002) - 담당교수:

- 교재:

- 강의 내용 및 목표:

- 강의시간 및 장소: 매주 月, 水요일 13:00-14:15 (38동 433호) - 강의 일정: 15주 계획

- 평가: 결석과 지각은 구별하며, 출석은 첫 시간부터 마지막 시간까지, 지수함수적으로 평가

- Term paper: 학기말 시험 이후에 팀별로 발표 및 평가

Principles of Environmental Engineering and Science

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Term Paper : 환경친화적 건설 사례 (1)

Shasta Dam (U.S.)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Chicago Waterfalls (U.S.)

Term Paper : 환경친화적 건설 사례 (2)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Low Impact Development (LID) Environmentally sensitive design Non-point source pollution

Total maximum daily load (TMDL)

Bioretention

Term Paper : 환경친화적 건설 사례 (3)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

2005학년도 환경공학 Term paper list

- Rainwater tank for others, myself, and all of us

- 서울대학교 대학원 연구동 (39동) 빗물 활용시설 소개 및 향후 개선 방안 - 서울대학교 대학원 기숙사의 빗물이용시설 사례 연구

- 웰빙 하수처리장

- 수원시 환경사업소의 환경, 시민친화적 사례 연구 - 안양석수하수처리장에 대한 재검토

- 환경친화적, 시민친화적 매립지에 관한 고찰 - 동광양 매립지, 동경만 해양 매 립지 사례

- 난지도 매립지 사후관리시설

- 방사성 폐기물의 처리∙처분과 시설물 조사 - 소각장의 대변신 - 구리시 자원회수시설 - 인천청라광역폐기물시설 환경 영향 조사

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

2006학년도 환경공학 Term paper list

- 부천 북부 수자원 생태공원 - 하수 처리수 재이용에 대한 고찰 - 중수도 시설 사용 활성화 방안 - 롯데월드 사례를 중심으로 - 친환경적 바이오매스 열병합발전소

- 영흥태양광발전소 견학 및 서울대 태양광 에너지 활용 - 생태산업단지, 폐기물 제로에 도전한다 웰빙 하수처리장 - 자원회수시설에 대한 다각적 고찰

- CO₂ 의무감축, 위기를 기회로

- 서울숲의 빗물이용시설에 대한 고찰 - 빗물이용시설의 필요성과 경제성 및 향후 운영 - 자연과 하나되는 서울 - 서울숲의 친환경 시설물

- 자연형 하천복원에 대한 조사 연구 - 도시계획과 친환경적 건축

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

What is Environmental Engineering ?

공학 (혹은 과학기술) (Engineering) 이란?

(1) the profession (전문직, occupation과 구별);

(2) based on the knowledge of the mathematical and natural sciences;

(3) gained by study, experience, and practice;

(4) to utilize economically the materials and forces of nature;

(5) for benefit of mankind.

defined by 미 국 과 학 기 술 교 육 인 증 원 (Accreditation Board for Engineering and Technology: ABET)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Key Words of Engineering

- 인간 (Human) - 시스템 (System) - 설계 (Design)

- 제작 (Manufacturing)

- 유지관리 (Maintenance)

- 합리적이고 실현 가능한 해답 (Reasonable and

Feasible solution)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Professional (전문직)의 속성

(1) 미국의 인구조사국

Professionals (전문직)이란 특별한 기술, 지식 및 정신적 집중을 요하 는 활동을 직업으로 하는 사람들 (예, 회계사, 건축가, 예술가, 변호사, 성직자, 의사, 언론인, 교사, 과학기술자 등)

(2) 미국 과학기술 발전협의회

- 사회의 필수적인 이익을 만족시켜야

- 재량적 판단을 행사하고 어떤 표준에 지배되지 않는다.

- 특정분야의 교육과 실습을 거쳐서 획득한 높은 수준의 과학지식 및 기술적 능력

- 과학기술의 발전과 사회적 봉사라는 전문가로서의 이상과 동업자 집단의식을 소유

- 법적 지위와 사회적 허가

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Professional (전문직)의 속성

by Ernest Greenwood

- Body of Theory (체계적 이론) - Authority (전문적 권위):

- Licensing, Monopoly (사회의 허가 및 독점):

- Code of Ethics (윤리강령):

- Professional Culture (전문가 문화):

customer (고객)은 자신이 원하는 서비스 혹은 상 품의 좋고 나쁨을 자신이 결정하는 반면에 client(의뢰인)은 서비스의 좋고 나 쁨에 관해 전문가의 판단에 맡긴다.

Relative Immunity (상대적 면책특권)과 Peer Review (동료들에 의한 평가)

전문직의 권위와 독점권은 윤리적으로 타당할 때, 비로서 사회적 인정 가능, 구성원에 대한 내부 규율 필요.

Technology = Techne + Logos

예, 전문직 교육기관의 교육기간을 통해, 전문가 문화에 비추어 비정상적으로 예상되는 사람을 배제. 구미국가가 동업자단체를 중심으로 사회의 신뢰를 얻기 위해 전문가로서의 도덕성을 강 조해 온 전문가 문화와 우리나라와 일본과 같이 처음부터 국가에서 전문가 자 격증을 부여해 온 전문가 제도와는 전문가 문화에서 큰 차이

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

토목인의 윤리 강령 (대한토목학회)

1. 사회복지에 공헌한다.

2. 자질향상과 기술발전에 진력한다.

3. 기술자로서 양심과 명예를 존중한다.

4. 안전을 제일로 한다.

5. 환경보전에 최선을 다한다.

6. 제 법규와 기준을 준수한다.

7. 기술적 불합리를 적극 시정한다.

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

한국공학교육인증원에서 요구하는 공학도의 구비능력

- 수학, 과학, 공학지식을 응용할 수 있는 능력

- 자료를 이해, 분석하고 실험을 계획/수행할 수 있는 능력 - 시스템과 요소, 프로세스를 적절히 설계할 수 있는 능력 - 다학문적 팀을 이루어 기능할 수 있는 능력

- 공학문제를 인식하고, 공식화하고 해결할 수 있는 능력 - 직업적, 도덕적 책임에 대한 이해

- 효과적으로 의사를 전달할 수 있는 능력

- 전 세계적인 관점에서 공학적 해결 방안이 끼치는 영향을 이해하기 위해 필요한 폭넓은 교육

- 평생교육에 대한 필요성 인식과 평생교육에 참여할 수 있는 능력

- 동시대 논점에 대한 지식, 기술, 공학 현장에 필요한 현대적 공학 도구를 사용할 수 있는 능력

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

ABEEK의 공학분류

Accreditation Board for Engineering Education of Korea: ABEEK

- 건축학 - 건축공학

- 조경학 - 생물공학

- 섬유공학 - 원자력, 방사선공학

- 재료공학 - 전기, 전자, 정보공학

- 화학공학 - 환경공학

- 토목공학 서울대학교 지구환경시스템공학부의 토목도시공학인증

프로그램은 구조, 수공, 토질, 건설관리, 환경, 교통, 공간 정보, 도시계획 등 8개 분야 중 최소 4개 이상의 전공분야 를 수강해야 함.

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Civil Engineering

- Civilization

- Connection between communities

More than “Construction”

- IT infra

- Energy infra

- Environmental protection and remediation

- Advanced space systems

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Additional Outcomes

for the 21

Century Civil Engineers

- an ability to apply knowledge in a specialized area related to civil engineering

- an understanding of the elements of project management, construction, and asset management

- an understanding of business and public policy and administration fundamentals

- an understanding of the role of the leader and leadership principles and attitudes

by ASCE Body of Knowledge Committee (2004)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Engineering의 형성과정 (1)

(1) 고대, Builder (성곽, 해자, 투석기, 수도교 등 건설)

(2) 1802. Military Academy at West Point: 현대적 의미의 과학기술 교육 기관 (탄약, 폭약, 대포 등 주로 군수물자의 제조와 도로, 교량, 운하 등의 건설에 관한 과학기술을 교육)

(3) 17C 중반, Military Engineering vs. Civil Engineering (도로, 교량, 건 물, 철도, 상하수도 관거 등 설계 및 제작. 독학 또는 사관학교에서 교 육).

(4) 19C 후반, 수인성 전염병 문제 발생 후, 상하수도시설의 필요성 대두, Sanitary engineer (미국), Public-health engineer (영국) 등

(5) 20C 중반, 보다 복잡하고 다양한 환경문제 대두, Environmental engineer

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Engineering의 형성과정 (2)

(5) 20C 중반 Environmental engineer

정수장이나 하수처리장과 같은 전통적인 영역에서 환경 피해의 복구 와 오염원 제어로 영역이 확대

즉, 전통적인 수처리 영역에서 폐기물 관리, 소음 진동 관리, 방사성 폐기물 관리, 온실가스 제어 등 다루어야 할 영역이 확대

정수장이나 하수처리장에서도 BOD, SS, 탁도와 같은 전통적인 오염 물질에 보다 다양하고 독성이 강한 오염물질들이 나타남.

* Civil Engineering (see Figure 1-1, p.3) : Code of ethics

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Engineer

로마인 율리우스 푸론티누스 (Sexus Julius Frontinus)는 AD 97에 로 마 의 수 로 관 리 청 장 관 에 임 명 되 었 다 . 그 가 저 술 한 “ The Aqueducts of Rome, 로마의 수로”는 오늘날에도 훌륭한 과학기술자, 공직자의 길을 가르쳐 주고 있다.

“내가 시민의 편의, 건강, 안전과 관련된 수로관리 장관으로 임명된 이상, 내가 가장 먼저 해야 할 일은 내가 맡은 일을 숙지하는 것이 고, 가장 중요한 것은 직책 수행원칙을 정하는 것이다. 이와 같은 기본없이는 해야 할 일과 하지 말아야 할 일을 판단할 수 없다. 나 는 직책을 수행할 때마다 실제의 경험을 책으로 기술하였고, 그 직 책을 떠날 때는 후임자에게 그 저술의 이용에 관해 조언하였다. 이 책도 후임자에게 유용할 것이지만, 특히 자신의 업무 수행 지침으로 활용하기 위한 것이다.”

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

차세대 환경공학 교육

- ABEEK의 기준은 전통적인 공학 교육의 기준 (Sanitary Engineer)

- Sanitary Engineer 양성 과정은 Environmental Engineer 양성을 위해 충분 한가?

Environmental Engineer 교육을 위해서는 전통적인 공학기술자 교육에 환 경매체에 대한 이해, 화학적 기초, 독성학 등에 대한 기초 교육이 포함되 어야 하고 이러한 내용은 Sanitary Engineer 교육 과정을 넘어서는 부분.

- Environmental Engineer 교육과정은 오염물질의 사후 처리와 더불어 오염 물질의 원천 제어를 포함하여야 한다. 이를 위해서는 오염물질을 발생시 키 는 산 업 계 나 생 활 계 시 스 템 에 대 한 충 분 한 이 해 가 필 요 (Green technology, 청정기술)

- 현재의 환경공학 교육과정은 대체로 토목공학 중심 체제와 화학공학 중심 체제로 구분할 수 있으나, 어느 한쪽에 치우진 4년의 교육으로는 차세대 에 필요한 환경공학기술자 양성이 어려움

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

환경문제 인식의 역사

- 기원전 21세기경, 중국의 우나라에서는 봄철 석달동안의 벌목을 금지했고, 여름 석달동안의 어로활동을 금지했었다.

- 주 문왕은 3천년 전에 동물 보호지역을 정했고

- 순자는 2천 2백년 전에 자연자원의 남획을 公患으로 경고 - 우리나라의 松禁法도 짧지 않은 역사

인류의 활동과 더불어 국지적 오염 문제는 항상 있어 왔고, 그에 대 한 주의와 경계도 항상 있어 왔다.

서구의 환경주의는 14세기부터 시작된 서구의 식민지 건설 결과, 17 세기부터 나타난 자연 파괴에서 기원

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Engineering의 정의

Many engineering principles have focused on utilizing the earth’s resources. These engineering efforts have emphasized the extraction, conversion, supply, and use of the earth’ resources. However, it has become clear that the technological foundation of modern society cannot sustained unless we devote attention to contaminant releases and their impact on the quality of the environment;

환경공학이란 자연과학의 기초 이론을 토대로 환경문제를 이해하고 해 결 하 는 공 학 으 로 위 생 공 학 (Sanitary Engineering) 을 바 탕 으 로 발전하였고, 환경오염방지(Environmental pollution control)가 주 목적임

(환경공학, 최의소 著).

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Engineer

환경공학자란

(1) 인류의 생존과 자유, 행복이 위험 받지 않게 폐기물을

관리하고

; (2)후대에서 빌려 쓰고 있는 자연자원의 무분별한 이용을

억제하는 데에 필요한 기술을 개발하고

, 이에 필요한 시설물을 설계, 제작,

- 환경공학, 최의소 著

환경공학자는 환경오염의 조절을 통해 궁극적으로 환경의 질을 향상하고 나아가 차세대의 이익까지 생각하여야 한다. - Vesilind, P. A.

앞으로의 모든 공학은 환경적으로 교육되고

, 동시에 환경공학화되어야

* 환경공학자(Environmental Engineer) vs. 환경보호론자(Environmentalist)

* Environmental Science vs. Environmental Engineering

To improve understanding of natural processes

To use that understanding to develop and apply technologies

for environmental quality improvement

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Engineering의 분야

(1) provision of safe

(2) palatable and ample public water supplies

(3) proper disposal of or recycle of wastewater and solid wastes (4) control of pollutions

이상이 major 분야이고,

(5) adequate drainage of urban and rural areas (6) social and environmental impact of solutions

(7) public health (control of arthropod-borne diseases, elimination of industrial health hazards, provision of adequate sanitation, etc.)

(8) effect of technological advances on the environment, etc.

On a day basis, an average adult inhales 10-20 kg of air and inject 1-3 kg of liquids plus – 1 kg of food, while coming into direct contact with

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

현대 환경주의의 전개

- 슈바이처 박사,

“인간은 예견하고 예방할 수 있는 능력을 상실해 버렸

”

- Frontier Economics(개척경제): 자연은 인간을 위한 무제한적인 자원 의 공급자이며 오염도 스스로 정화하는 능력을 무제한으로 보유

- Deep Ecology(생태지상주의): 1973년 노르웨이의 철학자 Arne Naess, 철학사상으로 정립되지는 않았지만, 녹색당 등 정치세력으로 성공

- Shallow Ecology(생태이용주의): Deep Ecology의 Biocentrism(생물 중심주의)에 대해,

Anthropocentrism(인간중심주의)

- Environment(환경) vs. Ecology(생태)

-

ESSD(Environmentally Sound and Sustainable Development): 환경

Economy와 Ecology는 Oikos(英, house)라는 동일

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

국제 사회에서의 환경주의

- 1962년 Rachel Carson의 “침묵의 봄”

- 1972년 스웨덴 스톡홀롬 UN Conference on Human Environment (인간환경회 의): 인간환경선언 채택, 세계 환경의 날 제정, UNEP (UN 환경계획) 창설 - 1972년 로마클럽의 “성장의 한계” 발간

- 1982 년 케 냐 나 이 로 비 , UNEP 창 설 10 주 년 기 념 회 의 : WCED (World Commission on Environment and Development, 환경개발 세계 위원회) 의 설치 결의

- 1987년 Our Common Future (우리의 공통된 미래: 환경과 개발에 관한 세계 위원회, 일명 브룬트란트 보고서, sustainable development가 주제) 발간

- 1992년 브라질 리우데자네이로 UNCED (UN Conference on Environment and Development, 환경개발회의): 183개국 참석, ESSD (Environmentally Sound and Sustainable Development) 가 주제, Agenda 21 (의제 21, 지구 환경 보

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Sustainable Development

- 1987년 Our Common Future (우리의 공통된 미래: 환경과 개발에 관한 세계위원회, 일명 브룬트란트 보고서)

- 기본 개념 주의 하나는 “최저 욕구 충족의 필요성”

- 물질적 관점만에서의 지속가능한 개발은 한계가 있음.

- \ + “기술 수준과 사회 구조에 대한 새로운 패러다임과 가치 기준 정립”

- 모든 국가는 경제적, 사회적 개발의 목표를 지속가능성을 유지할 수 있는 한도 내에서 설정하는 것을 필요로 함. 이를 위해서는 지속가능성에 대한 공감대를 형성하고, 그 달성을 위한 폭넓은 전략의 구성이 필요.

- 유엔 기후변화 기본 협약 (UNFCCC, UN Frame Work Convention on Climate Change), 지 속 가 능 개 발 회 의 (UNCSD, UN Conference on Sustainable Development), 기후변화에 과한 국가간 위원회 (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change) 등.

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

환경의 범위

UNEP (UN Environment Plan)

-

Natural Environment (자연환경): Atmosphere, Ocean, Water, Lithosphere (암석권), Terrestrial biota (육생 생태계)

-

Man and the Environment ( 인 간 환 경 ): Population, Human settlement (주거), Human health, Bioproductive system (생물계), Industry, Energy, Transport, Tourism, Environmental education and public awareness (환경교육 및 홍보), Peace, security and the environment (평화와 안전)

우리나라의 환경정책기본법

- 자연환경

(Natural Environment)

(Living Environment)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

환경기술

*

Design for Environment (DFE, 환경친화 제품설계)

폐기물의 최소화, 오염의 사전예방 기술 오염 처리 및 관리 청정기술, 청정생산, 환경상품 사후처리기술

위해성 평가, 복원기술

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Technology Evolution

Reshaping business Value creation

(e.g., New product)

Competition advantages on differentiation

Efficiency enhancement

Te ch n o lo g y le ve l

Time

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Sustainability

1. Pollution prevention by the minimization of waste production

2. Life cycle analysis (LCA) of our production techniques to include built-in features for extraction and reuse of materials

3. Selection of materials and methods that have a long life 4. Selection of manufacturing methods and equipment that

minimize energy and water consumption

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

12 Principles of GREEN ENGINEERING

1. Inherent rather than circumstantial 2. Prevention instead of treatment 3. Design for separation

4. Maximize mass, energy, space, and time efficiency 5. Output-pulled versus input-pushed

6. Conserve complexity

7. Durability rather than immortality 8. Meet need, minimize excess

9. Minimize material diversity

10. Integrate local material and energy flows 11. Design for commercial “afterlife”

12. Renewable rather than depleting

Anastas, P. T., and Zimmerman, J. B. (2003) “Design through the 12 principles of green engineering,” Environmental Science and Technology, 37(5): 94A-101A

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Regulations

- Pristine Environment

- Environmental Quality Standards

- Society interests and Individual interests

Assumption 1: 2,000,000 cars and 5,000,000 people.

Assumption 2: It costs $500/car for emission control system

Assumption 3: Each emission control system yield a health benefit worth $0.01 for each resident over the life of the car

From individual perspective, the cost of $500 is greatly overweigh the individual’s benefit.

From society’s perspective, the benefit is 5,000,000 people x

$0.01/person/car = $50,000/car and it is much greater than the cost.

So, the society requires each individual to pay for the cost of emission control.

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Environmental Systems

System = interrelated parts (Elements), affects one another (Interrelationship), and Boundary, etc.

Pollution problems

(1) Single-medium problems : confined to one system, e.g., air, water, or soil

(2) Multimedia problems : not confined to one system but cross the boundaries from one to the other

Real system fair approximation Simplified model Solution for real system transformation Solution for model

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Material Balance (1)

Material balance (or Mass balance): Mass is neither created nor destroyed by transformation and transport processes except nuclear reactions.

In an environmental system,

Amount of Accumulation = Amount of Input – Amount of Output Rate of Accumulation = Rate of Input – Rate of Output

Completely mixed systems

Steady state (i.e., the rate of accumulation is zero.)

Discharge stream Recharge stream

Evaporation

Discharge to GW Precipitations

Recharge from GW

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Material Balance (2)

If there is any sink or gain term (i.e., conversion or transformation)?

Rate of Accumulation

= Rate of Input – Rate of Output +/- Rate of Transformation

유출 용존산소 유입 용존산소

수생동식물들의 호흡작용

수생식물의 탄소동화작용 대기로부터의 산소 전달

수중에 포함된 유기물의 분해

수생동식물 사체의 부패

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Examples of Mass Balance Analysis

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Material Flows and Stocks in Vienna, Aus.

by Prof. Brunner, Vienna Univ. of Tech.

stock: 350 t/c

4-10

144

sewage

export goods3 43 off gas

air 36

147

water

fossil fuels 2 12-18

construction materials

& consumer goods

solid wastes

3

MSW ^0.3 [t/c.y]

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Engineering Analysis

1. Translate the physical system into a mathematical representation.

2. Solve the mathematical problem to obtain the result.

3. Interpret the significance of the result for the physical system.

a. Identify and specify symbols to represent the unknowns.

b. Identify and quantify the unknown parameters and variables in the system.

c. Identify and write relationships based on scientific principles that link unknowns to knowns. For the problem to be fully specified, there must be one relationship for each known, and these relationships must be independent of one another.

a. What is the significance of this result? (or What does this answer mean?)

b. Is this the result I expected? (Yes, increase the confidence of result;

No, mistake in the analysis or adjustment is needed)

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Precision & Accuracy in Engineering Analysis

Figure 1.C.5 Metaphor of bullet holes in target, illustrating the concept of precision and accuracy

Precision: repeatability with little variability

Accuracy: relationship between the average value of observations and the goal

(A - B)

RPD = 100 (A + B) / 2 ´

%R = 측정값 100´ 참값

447.321 Environmental Engineering Lecture Note

Time-Dependent Behavior of Environmental Systems

The time scales over which dynamic processes operate in environmental systems (or environmental fluids) = from micro seconds to decades or centuries

Characteristic Time = the time required for a process to approach completion (or equilibrium)

Characteristic Residence Time (t

)

For example, Hydraulic Retention Time in water-filled systems = the average time that a fluid molecule will remain in the system before being removed by flow out of the system

Flow in (F_in) Stock (S) Flow out (F_out) t_r = S/F_in (or S/F_out)