Le comunità verdi come il West Village a UC Davis in California sembrano un concetto ultramoderno, ma l'umanità ha trovato modi per lavorare con l'ambiente per secoli. © Billy Hustace/Corbis L'ingegneria ambientale è qualcosa che puoi ottenere una laurea in questi giorni, ma il campo è uno che esisteva molto prima di avere un nome, iniziato agli albori della civiltà, quando abbiamo iniziato a modificare il nostro ambiente per soddisfare i nostri bisogni. Implica l'applicazione di pratiche scientifiche e ingegneristiche al modo in cui utilizziamo e influenziamo le nostre risorse naturali. I moderni ingegneri ambientali lavorano su soluzioni a problemi come la riduzione dell'inquinamento e la pulizia, consumi energetici ed emissioni, erosione del suolo, trattamento delle acque e gestione dei rifiuti nel tentativo di gestire e mantenere correttamente la qualità del nostro suolo, acqua e aria. Si sforzano di mantenere tutti più sani e felici aiutandoci a vivere dei frutti della terra in modo più efficiente e meno distruttivo.
Gli ingegneri ambientali sono forse eroi non celebrati che hanno contribuito a rendere il mondo moderno quello che è oggi, pieno di cibo e acqua relativamente sicuri, aria respirabile, ambienti di vita in gran parte privi di peste e consumi di carburante efficienti dal punto di vista energetico per aiutare ad alimentare praticamente tutto ciò che facciamo. La popolazione umana è di circa 7 miliardi e continua ad aumentare. Il campo aumenterà di importanza man mano che il numero cresce.
Ci sono già state alcune importanti innovazioni che hanno contribuito a portare la maggior parte di noi a questo punto viva e vegeta. Continua a leggere per scoprire che tipo di cose questi amministratori della terra ci hanno fornito in passato, e stiamo lavorando per il futuro.
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I lavoratori delle fognature della Thames Water Utilities ispezionano una fogna sotto le strade di Londra. © Richard Baker/In immagini/Corbis Abbiamo a lungo desiderato vivere in un ambiente privo di rifiuti umani, inizialmente a causa del cattivo odore, e più tardi, una volta stabilita la connessione, per prevenire epidemie gravi e mortali. I sistemi fognari soddisfano il problema trasportando grandi quantità di escrementi umani lontano dalle aree popolate, e si sono evolute per migliaia di anni.
Tra il 2000 e il 4000 a.E.V., l'impero mesopotamico (l'odierno Iraq), Mohenjo-Daro (l'odierno Pakistan), Egitto, l'isola di Creta e le isole Orcadi in Scozia avevano già sistemi di drenaggio - e, in alcuni casi, servizi igienici interni. Entro poche centinaia di anni a.E.V., i greci avevano sistemi fognari che trasportavano le piogge e le acque reflue a bacini di raccolta che irrigavano e fertilizzavano i campi. Gli antichi romani avevano fogne sotterranee che alimentavano il fiume Tevere.
Ci sono stati molti tentativi ed errori nel corso degli anni, con focolai di malattie che sottolineano la necessità di mantenere gli scarichi fognari lontani dall'acqua potabile. Col tempo, abbiamo anche appreso della necessità di mantenere le fogne, e il tombino è nato (o reinventato, come vedremo in seguito). La maggior parte sono stati anche costruiti per essere periodicamente risciacquati con acqua di marea o acqua piovana.
Dai tempi antichi fino a pochi decenni fa, fognature trasportavano principalmente rifiuti grezzi direttamente ai fiumi, oceani o altri grandi specchi d'acqua. I moderni sistemi fognari sono più complessi, portando a impianti di trattamento delle acque reflue in cui l'acqua viene trattata tramite filtrazione e aggiunta di vari prodotti chimici per disinfettare e rimuovere i contaminanti prima che venga restituita alla natura. E senza dubbio continueranno ad evolversi.
Rovine dell'Acquedotto Claudio, costruito nel 313 a.E.V., vicino a Roma, Italia. © Bettmann/CORBIS Abbiamo bisogno di acqua per vivere, quindi non è un caso che molte antiche civiltà siano nate intorno alle fonti d'acqua naturali. Ma gli antichi greci e romani trovarono un modo per contrastare, o almeno deviare, natura con l'invenzione degli acquedotti. Gli acquedotti venivano utilizzati per trasportare grandi quantità di acqua da un luogo all'altro, a volte fino a 60 miglia (96,6 chilometri). Hanno usato la forza di gravità per spostare l'acqua in discesa attraverso condotti artificiali costruiti con una pendenza costante.
Gli acquedotti erano principalmente realizzati con materiali come cemento, cemento, mattone e pietra. Spesso originavano da sorgenti in zone collinari, ma si costruivano anche dighe e bacini artificiali per alimentarli da fiumi o torrenti. Quando pensiamo agli acquedotti, i portici, o ponti di pietra fuori terra sostenuti da archi, mi viene in mente. Ma gli acquedotti erano costituiti anche da murature più corte, trincee coperte a livello del suolo, tunnel e tubi sotterranei per facilitare il viaggio dell'acqua attraverso un'ampia varietà di paesaggi.
La destinazione di un acquedotto era una cisterna di distribuzione chiamata castellum, che di solito era in un punto alto della città. Mandò acqua a castella più piccola, da cui sgorgava tramite condutture in muratura o tubazioni per alimentare fontane, bagni, abbeveratoi pubblici e talvolta anche residenze private.
Il primo acquedotto di Roma fu costruito nel 312 a.E.V. All'epoca della costruzione dell'Aqua Traiana da parte dell'imperatore Traiano intorno al 109 d.C., gli acquedotti romani portavano giornalmente in città centinaia di milioni di litri d'acqua. Questi corsi d'acqua hanno permesso alle città romane di sostenere popolazioni molto più numerose di quanto sarebbero state in grado di fare con le sole fonti d'acqua naturali.
Stagno di biofiltrazione vicino a Mombasa, Kenia. Il cavolo del Nilo nello stagno rimuove le impurità dall'acqua in modo che possa essere utilizzato come allevamento ittico. ©Chinch Gryniewicz; Ecoscena/CORBIS La biofiltrazione è il processo di passaggio di aria o acqua attraverso un materiale poroso, materiale umido contenente microrganismi per rimuovere odori e contaminanti. I contaminanti vengono degradati a composti basici come acqua o anidride carbonica, insieme ad altri prodotti di biomassa benigna, tutti come sottoprodotti dei processi metabolici dei microbi. I sistemi di biofiltrazione sono utilizzati per trattare le acque reflue e le emissioni gassose industriali, così come le emissioni derivanti dalle operazioni di compostaggio, tra le altre applicazioni. Sono stati utilizzati fin dagli anni '50 per rimuovere gli odori nocivi, ma ora stanno vedendo un uso diffuso anche per la rimozione di contaminanti industriali.
Diversi ceppi di batteri, insieme all'umidità, controllo del pH e della temperatura, può essere utilizzato per degradare efficacemente vari contaminanti target. A differenza dei filtri tradizionali, i biofiltri distruggono le sostanze nocive invece di limitarsi a filtrarle, ma possono funzionare solo con contaminanti biodegradabili. La biofiltrazione viene utilizzata principalmente per distruggere le emissioni tossiche come gli idrocarburi generati dal carburante e alcuni tipi di composti organici volatili (VOC).
I COV vengono creati e rilasciati durante la produzione di un'ampia varietà di prodotti che contengono sostanze chimiche organiche, comprese le vernici, prodotti per la pulizia, cosmetici e combustibili. Sono tecnicamente composti di carbonio che reagiscono con le molecole contenenti ossigeno nell'atmosfera quando esposte alla luce solare, portando alla formazione di ozono contenente smog.
Il West Village del campus UC Davis, la più grande comunità a energia netta zero (ZNE) negli Stati Uniti:genera tanta energia quanta ne consuma, e utilizza bioswales per catturare l'acqua piovana. © Billy Hustace/Corbis I bioswales sono macchie di vegetazione costituite da erba, fiori, alberi o altre piante che assorbono il deflusso delle acque piovane, contribuendo a degradare o rimuovere gli inquinanti prima che scorrano non trattati nei corpi idrici vicini, o nelle reti fognarie. I bioswales possono essere utilizzati per formare canali che dirigono il flusso e filtrano l'acqua, oppure possono essere disposti in strisce (a volte chiamate strisce di biofiltrazione o strisce filtranti) per catturare l'acqua che scorre in fogli sottili dalle aree pavimentate. Alcuni bioswales includono anche altri meccanismi per dirigere e filtrare ulteriormente il deflusso, quali sotto-drenaggio e trincee di infiltrazione.
I bioswales rimuovono i contaminanti come i metalli pesanti, olio, grasso e sedimenti dal deflusso. Raffreddano anche l'acqua che si è riscaldata durante il viaggio sul marciapiede prima che raggiunga i corpi idrici naturali, dove l'acqua più calda potrebbe danneggiare la fauna selvatica. Possono essere utilizzati nei parcheggi al posto dei tombini, e, nelle aree urbane che non hanno molta copertura vegetale, possono aiutare a prevenire lo straripamento delle fogne a causa di troppe precipitazioni che vanno direttamente nello scarico.
La vegetazione varierà in base alla regione, e purtroppo le bioswales non sono ideali per i climi aridi. Ma in luoghi che possono supportarli, i bioswales possono fare molto bene. In alcuni casi sembrano anche piccoli parchi paesaggistici, che sono esteticamente più gradevoli delle strutture di drenaggio in calcestruzzo. I bioswales possono persino finire per proteggere piccole forme di fauna selvatica come farfalle e uccelli. Sono una vittoria per la natura.
La Prius di Toyota è stata la prima auto ibrida disponibile in commercio. Qui, Toyota mostra l'Aqua, un'utilitaria ibrida benzina-elettrica, allo show room dell'azienda a Tokyo l'8 maggio. 2013. © KAZUHIRO NOGI/AFP/Getty Images Le auto ibride sono state inventate molto prima di quanto la maggior parte di noi immagini. Tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, hanno gareggiato a fianco del gas, auto elettriche e persino a vapore per il dominio. Certo, i veicoli a solo gas hanno vinto la giornata. Ma poiché le questioni relative all'efficienza del carburante e alle emissioni diventavano sempre più importanti, gli ibridi sono riemersi. Nuovi prototipi ibridi sono stati sviluppati a partire dagli anni '70, ma la maggior parte non è mai arrivata sul mercato. La prima ibrida disponibile in commercio è stata la Toyota Prius, introdotto in Giappone nel 1997 e negli Stati Uniti nel 2001. Da allora ne sono usciti molti altri.
Ci riferiamo qui ai veicoli ibridi-elettrici (HEV) che utilizzano motori a combustione e motori elettrici (chiamati anche generatori di motori) in combinazione per ottenere un chilometraggio del gas migliore rispetto alle auto standard.
Devi ancora riempirli di benzina, ma il motore elettrico porta a guadagni in termini di efficienza del carburante consentendo al motore a combustione di spegnersi mentre è al minimo tramite avvio/spegnimento automatico. Fornisce inoltre potenza aggiuntiva durante l'accelerazione o la salita dell'auto grazie alla trasmissione/assistenza del motore elettrico, consentendo l'installazione di un più piccolo, motore a benzina più efficiente. Alcuni ibridi utilizzano la frenata rigenerativa. Mentre il motore applica resistenza alla trasmissione e rallenta l'auto, l'energia della ruota fa girare il motore e genera elettricità, che viene immagazzinato nella batteria all'idruro metallico (NiMH) per un uso successivo. Alcuni degli ibridi più costosi possono funzionare anche in modalità solo elettrica per pochi chilometri, anche se altri si spegneranno se non hanno gas.
A seconda della marca e del modello, le auto ibride elettriche possono ottenere un chilometraggio del gas di gran lunga migliore rispetto ai veicoli tradizionali di dimensioni comparabili.
Torre del cuore, il primo edificio commerciale occupato a verde con certificazione LEED. © Ramin Talaie/Corbis Gli edifici stanno diventando certificabilmente verdi. Man mano che siamo diventati più consapevoli dell'effetto che i nostri edifici hanno sull'ambiente e su di noi direttamente, organizzazioni hanno sviluppato metodi volontari di valutazione dell'impatto ambientale e dell'efficienza degli edifici, case e altre strutture simili. Questi includono il metodo di valutazione ambientale dell'istituto di ricerca edilizia (BREEAM) e la leadership nella progettazione energetica e ambientale (LEED). BREEAM è stato avviato nel 1990 dal BRE Trust ed è stato lo standard di valutazione dominante nel Regno Unito. LEED è uno standard statunitense creato dal Green Building Council degli Stati Uniti nel 1998. BREEAM e LEED sono i metodi più comunemente utilizzati in tutto il mondo al momento, ma altri stanno nascendo, come Green Star - creato dal Green Building Council of Australia (GBCA) nel 2003 - così come CASBEE in Giappone e Estidama ad Abu Dhabi.
Le valutazioni avvengono sia durante la progettazione che dopo il completamento. Possono essere valutate anche strutture esistenti o spazi commerciali interni. Gli standard possono essere adattati a diverse regioni o tipi di costruzione, e gli edifici sono valutati su varie cose, compresa l'efficienza energetica, efficienza dell'acqua, uso del suolo, inquinamento, rifiuti e la qualità dell'ambiente interno.
L'esistenza di tali enti di valutazione aiuta a portare le pratiche di costruzione e operative rispettose dell'ambiente nel mainstream, il che è particolarmente importante poiché gli edifici apparentemente contribuiscono per oltre il 20% alle emissioni di gas serra in alcune aree [fonte:HVN Plus]. Diventare ecologici può anche ridurre l'energia, acqua e altri costi e migliorare la salute delle persone che lavorano nelle strutture. Come bonus aggiuntivo, buone valutazioni potrebbero qualificare un edificio per sgravi fiscali e altri incentivi monetari, e può aumentare il valore della proprietà e degli affitti.
L'uso di un bagno di compostaggio è dimostrato in un ritiro yoga a Goa, India nel febbraio 2012. Accanto alla latrina sono conservati vasi con materiale per coprire i rifiuti e aiuti in decomposizione. © EyesWideOpen/Getty Images I sistemi Ecosan (sanificazione ecologica) includono vari modelli di servizi igienici o latrine ecocompatibili che generalmente richiedono poca o nessuna acqua, isolando i rifiuti in modo da prevenire odori e malattie. In molti casi, i rifiuti che ne derivano possono anche essere compostati e utilizzati come fertilizzante o combustibile. Alcuni modelli separano immediatamente l'urina e le feci (sistemi di deviazione dell'urina). Alcuni richiedono di coprire i rifiuti con segatura, liscivia, sabbia o altro materiale per eliminare gli odori, rimuovere l'umidità e favorire la decomposizione per lo smaltimento o il compostaggio. Tali sistemi sono ideali per luoghi in cui l'acqua è scarsa, poiché di solito non richiedono alcun collegamento a un sistema idraulico o fognario.
Un marchio - EcoSan - è stato introdotto nel 2000. È una toilette a sé stante; il sollevamento del coperchio fa sì che i rifiuti si facciano strada attraverso un trasportatore a spirale per circa 25 giorni, il tutto evaporando e sfiatando i rifiuti liquidi e abbattendo i rifiuti solidi utilizzando processi biologici. Asciutto, la materia inodore solo dal 5 al 10 percento della sua massa originale viene infine depositata in un recipiente per la rimozione e il riutilizzo.
Una toilette ecosan descritta da Unicef India è simile a una grande latrina con un bunker di cemento sotto ogni toilette. I wc a filo pavimento hanno fori separati per liquidi (che vengono deviati in pentole all'esterno) e solidi, più una bacinella per l'acqua detergente e un foro per consentire agli utenti di far cadere una manciata di lime, segatura, cenere o qualcosa di simile dopo aver depositato rifiuti solidi per favorire la decomposizione, riduzione dell'umidità e controllo degli odori.
Esistono altri metodi e prodotti per la costruzione di servizi igienici ecosan che variano nel prezzo, funzionalità e complessità.
Lo stabilimento NEWater di Singapore, nella foto qui, utilizza la radiazione ultravioletta per disinfettare l'acqua. © ROSLAN RAHMAN/AFP/Getty Images L'irradiazione germicida ultravioletta (UVGI) libera l'acqua, aria e superfici di microrganismi dannosi come virus e batteri. La luce del sole lo fa naturalmente in una certa misura. Sappiamo che la luce UV danneggia la nostra pelle e gli occhi; uccide o inattiva anche alcuni microrganismi.
I sistemi UVGI utilizzano la luce UV concentrata per farlo in modo controllato, emettendo radiazioni ultraviolette-B e ultraviolette-C a determinate lunghezze d'onda, vale a dire nell'intervallo germicida tra 200 e 320 nanometri, spesso tramite una lampada al mercurio a bassa pressione. La luce UV danneggia le cellule o il DNA dei microrganismi colpiti, uccidendoli o rendendoli incapaci di replicarsi. La luce UV nella gamma superiore da 320 a 400 nanometri non è efficace contro i germi.
UVGI è stato incorporato nei condotti di ventilazione, impianti di riscaldamento e condizionamento e unità di disinfezione dell'aria. È stato utilizzato anche su intere stanze, preferibilmente mentre non sono occupati o tutti sono in equipaggiamento protettivo. Alcuni sistemi emettono luce UV nelle aree vicine al soffitto per disinfettare l'aria sopra la testa delle persone in combinazione con meccanismi di flusso d'aria verticale. I filtri dell'aria per particolato ad alta efficienza (HEPA) o altri tipi di filtrazione possono essere utilizzati insieme a UVGI per rimuovere altri contaminanti che i raggi UV non uccidono.
Dagli anni '30 agli anni '70 sono state condotte ricerche approfondite sugli UVGI negli ospedali e nelle scuole, ma nonostante la sua dimostrata efficacia, UVGI è stato per lo più abbandonato, in parte a causa di scoperte nel campo dell'immunizzazione, progressi degli antibiotici e problemi di sicurezza relativi alle radiazioni UV.
La crescente prevalenza di germi resistenti agli antibiotici (compresi i ceppi di tubercolosi resistenti ai farmaci) e la paura del bioterrorismo hanno rinnovato l'interesse per gli UVGI. È più comunemente accettato per la disinfezione dell'acqua, ma gli usi della disinfezione dell'aria e delle superfici continuano a guadagnare terreno. Nel 2003, i Centers for Disease Control (CDC) ne hanno autorizzato l'uso negli ospedali in combinazione con i sistemi di pulizia dell'aria per aiutare a controllare la diffusione della tubercolosi.
Questa fattoria in Kenya fa crescere gli alberi insieme alle colture per mantenere un paesaggio agricolo produttivo. ©Wendy Stone/Corbis L'agroforestazione è la gestione simultanea di alberi e arbusti con colture e/o allevamento per una più efficiente, uso del suolo integrato e sostenibile dal punto di vista ambientale. Applicato correttamente, aumenta la diversità dei prodotti, la produzione agricola e la qualità del suolo e dell'acqua e riduce l'erosione, inquinamento e suscettibilità a condizioni meteorologiche avverse. Può essere utilizzato anche per proteggere la fauna selvatica, proteggere i bacini idrografici e gestire le emissioni di carbonio in modo più efficace. Tutto ciò può portare a un reddito maggiore per gli agricoltori e un ambiente migliore.
Vari metodi agroforestali possono essere impiegati a seconda della terra e delle risorse disponibili. Uno è la coltivazione dei vicoli:colture lungo file di alberi come querce, cenere, noce, noci pecan o altri alberi di noci. I raccolti e le noci possono essere raccolti e venduti mentre gli alberi maturano e continuano a produrre noci. Un altro è l'agricoltura forestale, utilizzando chiome di alberi per fornire il giusto livello di ombra per colture come felci, funghi e ginseng. Questi possono anche essere venduti prima che gli alberi siano pronti per la raccolta. Un terzo è la creazione di barriere forestali ripariali:gruppi di alberi, arbusti ed erbe sono piantati come un cuscinetto per prevenire l'inquinamento e l'erosione di sponde e corsi d'acqua. Allo stesso modo, alberi e arbusti possono essere piantati in configurazioni chiamate frangivento che proteggono le colture dai danni del vento e dall'erosione e proteggono gli animali dai danni. I frangivento possono aumentare l'impollinazione delle api e gestire la diffusione della neve sui raccolti o sulle strade. Un altro metodo agroforestale è il silvopascolo, usando gli alberi per riparare il bestiame e le erbe e le altre piante che mangiano. In tutti i casi, raccolti, animali e alberi convivono simbioticamente, e l'agricoltore può concentrarsi sulla raccolta di tutto ciò che è pronto in quel momento.
In alcuni paesi, le politiche governative soffocano queste pratiche, in parte a causa di disconnessioni tra le agenzie che si occupano delle diverse voci coinvolte. Ma c'è una crescente attenzione all'agroforestazione come metodo di agricoltura sostenibile. Negli Stati Uniti., il Farm Bill del 1990 ha portato alla creazione dell'USDA National Agroforestry Center.
In questa foto del test dell'ala 7 di Makani ad Alameda, California alla fine del 2011, si possono vedere le turbine che generano energia montate sulla struttura. ©Makani Power, A. Dunlap, 2011 Quando pensiamo di sfruttare la potenza del vento per fornire elettricità, la maggior parte di noi probabilmente pensa ai mulini a vento. Pochissimi pensano agli aquiloni. Ma una start-up dell'area di San Francisco fondata nel 2006 chiamata Makani Power ha lavorato sull'utilizzo di turbine eoliche simili ad aquiloni attaccate a cavi per generare energia eolica ad alta quota, dove ci sono venti più forti e costanti di quelli che abbiamo a livello del suolo. Makani significa vento in hawaiano, per inciso.
I cavi possono raggiungere fino a 2, 000 piedi (609,6 metri) dal suolo, e sono sia il metodo di sospensione che il metodo per trasmettere energia alla base. Gli stessi aquiloni sono lunghi circa trenta metri e realizzati in fibra di carbonio. Hanno quattro eliche e incorporano sensori e unità GPS sulle ali che trasmettono dati che possono essere utilizzati per ottimizzare il loro volo. In realtà volano in loop piuttosto che librarsi. E sono abbastanza leggeri da mantenere l'altitudine con venti più lenti di 15 miglia all'ora (MPH).
Secondo quanto riferito, le turbine hanno il potenziale per generare il doppio della potenza, forse anche di più, a metà del costo delle moderne turbine eoliche a livello del suolo. I costi sono competitivi con quelli della combustione del carbone, e occupano meno spazio rispetto ad altri metodi di generazione di energia.
Gli aquiloni - ancora a pochi anni dalla disponibilità commerciale - verranno probabilmente utilizzati lungo le coste, o nell'oceano attaccato alle boe. Makani Power ha ricevuto finanziamenti da Google e dall'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata per il Dipartimento dell'Energia (ARPA-E), ed è previsto che venga acquisito da Google X, il laboratorio che lavora su progetti come Google Glass e auto a guida autonoma.
Come abitante di questo pianeta, Sono molto interessato a cosa possiamo fare per utilizzare e conservare correttamente le nostre risorse naturali. In parte perché è la cosa giusta da fare, e in parte perché mi piace vivere e respirare. Anch'io preferisco il mio cibo, aria e acqua non contaminate da malattie e inquinanti. Adoro avere acqua corrente pulita che arriva direttamente in casa e bagni funzionanti privi di odori nocivi.
Sono tutte cose abbastanza ovvie, ma quante volte pensiamo a come è stato raggiunto il nostro attuale stato igienico dell'essere? Ci ho pensato poco prima di cercare questo articolo. Sono grato per tutti i nostri servizi sanitari moderni e per gli scienziati e gli ingegneri passati e presenti che li hanno resi possibili. Restiamo liberi dal colera, le persone!
