10 avances en ingeniería ambiental

La ingeniería ambiental es algo en lo que puedes obtener un título en estos días, pero el campo existe mucho antes de que tuviera un nombre, comenzó en los albores de la civilización cuando comenzamos a modificar nuestro entorno para satisfacer nuestras necesidades. Implica aplicar prácticas científicas y de ingeniería a la forma en que utilizamos e impactamos nuestros recursos naturales. Los ingenieros ambientales modernos trabajan en soluciones a problemas como la reducción y limpieza de la contaminación , el consumo y las emisiones de energía, la erosión del suelo, el tratamiento del agua y la gestión de desechos en un esfuerzo por administrar y mantener adecuadamente la calidad de nuestro suelo, agua y aire. Se esfuerzan por mantener a todos más saludables y felices ayudándonos a vivir de la tierra de manera más eficiente y menos destructiva.

Los ingenieros ambientales son quizás héroes anónimos que han ayudado a hacer del mundo moderno lo que es hoy, repleto de alimentos y agua relativamente seguros, aire respirable, entornos de vida en gran parte libres de plagas y consumo de combustible eficiente en energía para ayudar a impulsar casi todo lo que hacemos. La población humana es de alrededor de 7 mil millones y contando. El campo solo aumentará en importancia a medida que crezca ese número.

Ya ha habido algunas innovaciones importantes que ayudaron a que la mayoría de nosotros llegara a este punto con vida y bien. Continúe leyendo para averiguar qué tipo de cosas nos han provisto estos administradores de la tierra en el pasado y en qué están trabajando para el futuro.

1. alcantarillas
2. acueductos
3. Sistemas de biofiltración
4. Bioswales
5. Vehículos Híbridos
6. LEED, BREEAM, Green Star y otros programas de certificación
7. Sistemas Ecosan
8. Irradiación germicida ultravioleta
9. Agroforestería
10. Energía eólica a gran altura a partir de cometas

Durante mucho tiempo hemos deseado vivir en un ambiente libre de desechos humanos, inicialmente debido al mal olor y luego, una vez que hicimos la conexión, para prevenir brotes de enfermedades graves y mortales. Los sistemas de alcantarillado cumplen con los requisitos al transportar grandes cantidades de excrementos humanos lejos de las áreas pobladas, y han estado evolucionando durante miles de años.

Entre 2000 y 4000 a. C., el Imperio mesopotámico (actual Irak), Mohenjo-Daro (actual Pakistán), Egipto, la isla de Creta y las islas Orkney en Escocia ya tenían sistemas de drenaje y, en algunos casos, instalaciones sanitarias interiores. Unos cientos de años antes de Cristo, los griegos tenían sistemas de alcantarillado que transportaban la lluvia y las aguas residuales a cuencas colectoras que irrigaban y fertilizaban los campos. Los antiguos romanos tenían alcantarillas subterráneas que desembocaban en el río Tíber.

Hubo mucho ensayo y error a lo largo de los años, con brotes de enfermedades que señalaron la necesidad de mantener las salidas de alcantarillado lejos del agua potable. Con el tiempo, también nos enteramos de la necesidad de mantener las alcantarillas, y así nació (o se reinventó, como veremos más adelante) la boca de acceso. La mayoría también se construyeron para ser limpiados periódicamente con agua de lluvia o marea.

Desde la antigüedad hasta hace solo unas pocas décadas, las alcantarillas transportaban principalmente desechos sin tratar directamente a ríos, océanos u otras grandes masas de agua. Los sistemas de alcantarillado modernos son más complejos y conducen a plantas de tratamiento de aguas residuales donde el agua se trata mediante filtración y la adición de varios productos químicos para desinfectar y eliminar los contaminantes antes de devolverla a la naturaleza. Y sin duda seguirán evolucionando.

Necesitamos agua para vivir, por lo que no es casualidad que muchas civilizaciones antiguas surgieran alrededor de fuentes de agua naturales. Pero los antiguos griegos y romanos encontraron una manera de frustrar, o al menos desviar, la naturaleza con la invención de los acueductos. Los acueductos se usaban para transportar grandes cantidades de agua de un lugar a otro, a veces hasta 60 millas (96,6 kilómetros). Usaron la fuerza de la gravedad para mover el agua cuesta abajo a través de conductos artificiales construidos en una pendiente descendente constante.

Los acueductos estaban hechos principalmente de materiales como hormigón, cemento, ladrillo y piedra. A menudo se originaban en manantiales en áreas montañosas, pero también se construyeron presas y embalses para alimentarlos desde ríos o arroyos. Cuando pensamos en acueductos, nos vienen a la mente las arcadas o puentes de piedra sobre el suelo sostenidos por arcos. Pero los acueductos también se componían de paredes más cortas, trincheras cubiertas a nivel del suelo, túneles subterráneos y tuberías para facilitar el viaje del agua a través de una amplia variedad de paisajes.

El destino de un acueducto era un tanque de distribución llamado castellum, que generalmente estaba en un punto alto de la ciudad. Enviaba el agua a castellas más pequeñas, de donde fluía a través de conductos o tuberías de mampostería para alimentar fuentes, baños, piletas públicas y, en ocasiones, incluso residencias privadas.

El primer acueducto de Roma se construyó en el 312 a. C. En el momento de la construcción del Aqua Traiana por el emperador Trajano alrededor del año 109 d. C., los acueductos romanos trajeron cientos de millones de galones de agua a la ciudad diariamente. Estas vías fluviales permitieron que las ciudades romanas mantuvieran poblaciones mucho más grandes de lo que hubieran podido con solo las fuentes de agua natural.

La biofiltración es el proceso de pasar aire o agua a través de un material poroso y húmedo que contiene microorganismos para eliminar olores y contaminantes. Los contaminantes se degradan a compuestos básicos como agua o dióxido de carbono, junto con otros productos de biomasa benignos , todos como subproductos de los procesos metabólicos de los microbios. Los sistemas de biofiltración se utilizan para tratar aguas residuales y emisiones gaseosas industriales, así como emisiones de operaciones de compostaje, entre otras aplicaciones. Se han utilizado desde la década de 1950 para eliminar olores nocivos, pero ahora también se utilizan ampliamente para eliminar contaminantes industriales.

Se pueden usar diferentes cepas de bacterias, junto con el control de la humedad, el pH y la temperatura, para degradar efectivamente varios contaminantes objetivo. A diferencia de los filtros tradicionales, los biofiltros destruyen las sustancias nocivas en lugar de simplemente filtrarlas, pero solo pueden funcionar con contaminantes biodegradables. La biofiltración se utiliza principalmente para destruir emisiones tóxicas como los hidrocarburos generados por combustibles y ciertos tipos de compuestos orgánicos volátiles (COV).

Los COV se crean y liberan durante la producción de una amplia variedad de productos que contienen químicos orgánicos, incluidas pinturas, artículos de limpieza, cosméticos y combustibles. Son técnicamente compuestos de carbono que reaccionan con moléculas que contienen oxígeno en la atmósfera cuando se exponen a la luz solar, lo que lleva a la formación de smog que contiene ozono.

Los bioswales son parches de vegetación formados por césped, flores, árboles u otras plantas que absorben la escorrentía de las aguas pluviales, lo que ayuda a degradar o eliminar los contaminantes antes de que fluyan sin tratamiento a cualquier cuerpo de agua cercano o a los sistemas de alcantarillado. Los bioswales se pueden usar para formar canales que dirigen el flujo y filtran el agua, o se pueden colocar en tiras (a veces llamadas tiras de biofiltración o tiras de filtro) para atrapar el agua que fluye en láminas delgadas desde áreas pavimentadas. Algunos bioswales también incluyen otros mecanismos para dirigir y filtrar aún más la escorrentía, como desagües subterráneos y zanjas de infiltración.

Los bioswales eliminan contaminantes como metales pesados, aceite, grasa y sedimentos de la escorrentía. También enfrían el agua que se ha calentado mientras viaja por el pavimento antes de que llegue a los cuerpos de agua naturales, donde el agua más caliente podría dañar la vida silvestre . Se pueden usar en estacionamientos en lugar de desagües pluviales y, en áreas urbanas que no tienen mucha cobertura vegetal, pueden ayudar a evitar que las alcantarillas se desborden debido a que demasiada lluvia cae directamente por el desagüe.

La vegetación variará según la región y, lamentablemente, los bioswales no son ideales para climas áridos. Pero en lugares que pueden apoyarlos, los bioswales pueden hacer mucho bien. En algunos casos, también parecen pequeños parques paisajísticos, que son más agradables estéticamente que las estructuras de drenaje de hormigón. Los bioswales pueden incluso terminar albergando pequeñas formas de vida silvestre como mariposas y pájaros. Son un ganar-ganar para la naturaleza.

Los autos híbridos se inventaron mucho antes de lo que la mayoría de nosotros imaginamos. A finales del siglo XIX y principios del XX, compitieron por el dominio junto con los coches de gasolina, eléctricos e incluso de vapor . Por supuesto, los vehículos que solo funcionan con gasolina ganaron el día. Pero a medida que los problemas de eficiencia de combustible y emisiones se volvieron cada vez más importantes, resurgieron los híbridos. Se desarrollaron prototipos híbridos más nuevos a partir de la década de 1970, pero la mayoría nunca llegó al mercado. El primer híbrido disponible comercialmente fue el Toyota Prius, introducido en Japón en 1997 y en los EE. UU. en 2001. Desde entonces, han aparecido muchos más.

Nos referimos aquí a los vehículos eléctricos híbridos (HEV) que utilizan motores de combustión y motores eléctricos (también llamados generadores de motor) en conjunto para producir un mejor consumo de combustible que los automóviles estándar.

Todavía tiene que llenarlos con gasolina, pero el motor eléctrico conduce a ganancias en la eficiencia del combustible al permitir que el motor de combustión se apague mientras está en ralentí a través del encendido/apagado automático. También proporciona potencia adicional mientras el automóvil acelera o sube una pendiente a través de la conducción/asistencia del motor eléctrico, lo que permite la instalación de un motor de gasolina más pequeño y eficiente. Algunos híbridos usan frenado regenerativo. Mientras el motor aplica resistencia al tren de transmisión y reduce la velocidad del automóvil, la energía de la rueda hace girar el motor y genera electricidad, que se almacena en la batería de hidruro metálico (NiMH) para su uso posterior. Algunos de los híbridos más caros también pueden funcionar en modo eléctrico durante unas pocas millas, aunque otros se apagarán si no tienen gasolina.

Dependiendo de la marca y el modelo, los autos híbridos-eléctricos pueden obtener un rendimiento de gasolina mucho mejor que los vehículos tradicionales de tamaño comparativo.

Los edificios se están volviendo certificablemente ecológicos. A medida que nos hemos vuelto más conscientes del efecto que nuestros edificios tienen sobre el medio ambiente y sobre nosotros directamente, las organizaciones han desarrollado métodos voluntarios para calificar el impacto ambiental y la eficiencia de edificios, casas y otras estructuras similares. Estos incluyen el Método de Evaluación Ambiental del Establecimiento de Investigación de Edificios (BREEAM) y el Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental ( LEED). BREEAM fue iniciado en 1990 por BRE Trust y ha sido el estándar de evaluación dominante en el Reino Unido. LEED es un estándar estadounidense creado por el US Green Building Council en 1998. BREEAM y LEED son los métodos más utilizados en todo el mundo en este momento, pero otros están surgiendo, como Green Star, creada por el Green Building Council of Australia (GBCA) en 2003, así como CASBEE en Japón y Estidama en Abu Dhabi.

Las evaluaciones se llevan a cabo tanto durante el diseño como después de la finalización. También se pueden calificar las estructuras existentes o los espacios interiores comerciales. Los estándares se pueden adaptar a diferentes regiones o tipos de construcción, y los edificios se clasifican en varios aspectos, incluida la eficiencia energética, la eficiencia del agua, el uso de la tierra, la contaminación, los desechos y la calidad ambiental interior.

La existencia de dichas entidades de evaluación ayuda a incorporar prácticas operativas y de construcción respetuosas con el medio ambiente, lo cual es especialmente importante ya que los edificios aparentemente contribuyen con más del 20 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero en algunas áreas [fuente: HVN Plus ]. Ser ecológico también puede reducir los costos de energía, agua y otros, y mejorar la salud de las personas que trabajan en las estructuras. Como un bono adicional, las buenas calificaciones pueden calificar a un edificio para reembolsos de impuestos y otros incentivos monetarios, y pueden aumentar los valores de propiedad y alquiler.

Los sistemas Ecosan (saneamiento ecológico) incluyen varios diseños de inodoros o letrinas que no dañan el medio ambiente y que generalmente requieren poca o ninguna agua, al tiempo que aíslan los desechos de una manera que previene los malos olores y las enfermedades. En muchos casos, los residuos resultantes pueden incluso convertirse en abono y utilizarse como fertilizante o combustible. Algunos diseños separan inmediatamente la orina y las heces (sistemas de desviación de orina). Algunos requieren cubrir los desechos con aserrín, lejía, arena u otro material para eliminar el olor, eliminar la humedad y ayudar con la descomposición para su eliminación o compostaje. Dichos sistemas son ideales para lugares donde el agua escasea, ya que generalmente no requieren conexión a un sistema de plomería o alcantarillado.

Una marca, EcoSan, se introdujo en 2000. Es un inodoro independiente; levantar la tapa hace que los desechos avancen a través de un transportador en espiral durante aproximadamente 25 días, mientras se evaporan y ventilan los desechos líquidos y se descomponen los desechos sólidos mediante procesos biológicos. La materia seca e inodora solo del 5 al 10 por ciento de su masa original finalmente se deposita en un receptáculo para su eliminación y reutilización.

Un inodoro ecosan descrito por Unicef ​​India es similar a una letrina grande con un búnker de concreto debajo de cada inodoro. Los inodoros a nivel del piso tienen orificios separados para líquidos (que se desvían a las ollas en el exterior) y sólidos, además de una tina de agua de limpieza y un orificio para que los usuarios dejen caer un puñado de cal, aserrín, ceniza o algo similar después de depositar los desechos sólidos para ayudar. con descomposición, reducción de humedad y control de olores.

Existen otros métodos y productos de construcción de inodoros ecosan que varían en precio, funcionalidad y complejidad.

La irradiación germicida ultravioleta (UVGI) elimina el agua, el aire y las superficies de microorganismos dañinos como virus y bacterias. La luz del sol hace esto naturalmente hasta cierto punto. Sabemos que la luz ultravioleta daña nuestra piel y ojos; también mata o inactiva algunos microorganismos.

Los sistemas UVGI utilizan luz ultravioleta concentrada para hacerlo de manera controlada, emitiendo radiación ultravioleta-B y ultravioleta-C de onda corta en ciertas longitudes de onda, es decir, en el rango germicida entre 200 y 320 nanómetros, a menudo a través de una lámpara de mercurio de baja presión. La luz ultravioleta daña las células o el ADN de los microorganismos afectados , matándolos o dejándolos incapaces de replicarse. La luz ultravioleta en el rango superior de 320 a 400 nanómetros no es eficaz contra los gérmenes.

UVGI se ha incorporado en conductos de ventilación, sistemas de calefacción y aire acondicionado y unidades de desinfección del aire. También se ha utilizado en habitaciones enteras, preferiblemente mientras están desocupadas o cuando todos usan equipo de protección. Algunos sistemas emiten luz ultravioleta en áreas cercanas al techo para desinfectar el aire sobre las cabezas de las personas junto con mecanismos de flujo de aire vertical. Los filtros de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA) u otros tipos de filtración se pueden usar junto con UVGI para eliminar otros contaminantes que los rayos UV no eliminan.

Se realizó una gran investigación sobre UVGI desde la década de 1930 hasta la década de 1970 en hospitales y escuelas, pero a pesar de su eficacia demostrada, UVGI se abandonó en su mayoría, en parte debido a los avances en inmunización, avances en antibióticos y preocupaciones de seguridad sobre la radiación UV.

The increasing prevalence of antibiotic-resistant germs (including drug-resistant strains of tuberculosis) and fear of bioterrorism has renewed interest in UVGI. It's most commonly accepted for water disinfection, but air and surface disinfection uses continue to gain ground. In 2003, the Centers for Disease Control (CDC) sanctioned its use in hospitals in conjunction with air cleaning systems to help control the spread of TB.

Agroforestry is the simultaneous management of trees and shrubs with crops and/or livestock for more efficient, integrated and environmentally sustainable land use. Applied properly, it increases product diversity, agricultural production and soil and water quality and decreases erosion, pollution and susceptibility to harsh weather conditions. It can also be used to shelter wildlife, protect watersheds and manage carbon emissions more effectively. All of these can add up to greater income for farmers and a better environment.

Various agroforestry methods can be employed depending upon the available land and resources. One is alley cropping -- growing crops alongside rows of trees like oak, ash, walnut, pecan or other nut trees. The crops and nuts can be harvested and sold while the trees mature and continue to produce nuts. Another is forest farming, using canopies of trees to provide the right level of shade for crops like ferns, mushrooms and ginseng. These can also be sold before the trees are ready for harvesting. A third is the creation of riparian forest buffers -- groups of trees, shrubs and grasses are planted as a buffer to prevent pollution and erosion of banks and waterways. Similarly, trees and shrubs can be planted in configurations called windbreaks that shield crops from wind damage and erosion and protect animals from harm. Windbreaks can increase bee pollination and manage the spread of snow over crops or roads. Another agroforestry method is silvopasture, using trees to shelter livestock and the grasses and other plants they eat. In all cases, crops, animals and trees symbiotically coexist together, and the farmer can concentrate on harvesting whatever is ready at the time.

In some countries, governmental policies stifle these practices, partially because of disconnects between the agencies that deal with the different items involved. But there's increasing attention being given to agroforestry as a sustainable farming method. In the U.S., the 1990 Farm Bill led to the creation of the USDA National Agroforestry Center.

When we think of harnessing the power of wind to provide electricity, most of us probably think of windmills. Very few think kites. But a San Francisco-area start-up founded in 2006 called Makani Power has been working on using kite-like wind turbines attached to tethers to generate wind power at high altitudes, where there are stronger and steadier winds than we have at ground level. Makani means wind in Hawaiian, incidentally.

The tethers can reach up to 2,000 feet (609.6 meters) above ground, and they're both the suspension method and the method for transmitting power back to the base. The kites themselves are around one hundred feet long and made of carbon fiber. They have four propellers and incorporate sensors and GPS units on the wings that transmit data that can be used to optimize their flight. They actually fly in loops rather than hover. And they are light enough to maintain altitude in winds slower than 15 miles per hour (MPH).

The turbines reportedly have the potential to generate twice as much power, perhaps even more, at half the cost of modern ground-level wind turbines. The costs are competitive with that of coal burning , and take up less space than other power generation methods.

Es probable que las cometas, aún a unos años de estar disponibles comercialmente, se utilicen a lo largo de las costas o en el océano unidas a boyas. Makani Power ha recibido financiación de Google y de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía (ARPA-E), y está previsto que Google X, el laboratorio que trabaja en proyectos como Google Glass y coches autónomos, la adquiera.

Nota del autor: 10 avances en ingeniería ambiental

Como habitante de este planeta, estoy muy interesado en lo que podemos hacer para usar y conservar adecuadamente nuestros recursos naturales. En parte porque es lo correcto y en parte porque me gusta vivir y respirar. También prefiero que mi comida, aire y agua no estén contaminados por enfermedades y contaminantes. Me encanta tener agua corriente limpia que llega directamente a mi casa y baños que funcionen libres de olores nocivos.

Todo esto es algo bastante obvio, pero ¿con qué frecuencia pensamos en cómo se logró nuestro estado actual de higiene? Solo lo pensé poco antes de investigar este artículo. Estoy agradecido por todas nuestras comodidades sanitarias modernas y los científicos e ingenieros del pasado y del presente que las han hecho posibles. ¡Mantengámonos libres de cólera, gente!

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