10 progressi nell'ingegneria ambientale

L'ingegneria ambientale è qualcosa che puoi ottenere una laurea in questi giorni, ma il campo è un campo che esisteva molto prima che avesse un nome, iniziato agli albori della civiltà quando abbiamo iniziato a modificare il nostro ambiente per soddisfare le nostre esigenze. Implica l'applicazione di pratiche scientifiche e ingegneristiche al modo in cui utilizziamo e influiamo sulle nostre risorse naturali. I moderni ingegneri ambientali lavorano su soluzioni a problemi come la riduzione e la pulizia dell'inquinamento , il consumo di energia e le emissioni, l'erosione del suolo, il trattamento delle acque e la gestione dei rifiuti nel tentativo di gestire e mantenere correttamente la qualità del nostro suolo, dell'acqua e dell'aria. Si sforzano di mantenere tutti più sani e più felici aiutandoci a vivere della terra in modo più efficiente e meno distruttivo.

Gli ingegneri ambientali sono forse eroi sconosciuti 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 consumo di carburante efficiente dal punto di vista energetico per aiutare ad alimentare praticamente tutto ciò che facciamo. La popolazione umana è di circa 7 miliardi e oltre. Il campo aumenterà di importanza solo con l'aumentare del numero.

Ci sono già state alcune importanti innovazioni che hanno aiutato a portare la maggior parte di noi a questo punto in vita e in salute. Continua a leggere per scoprire che tipo di cose questi amministratori della terra ci hanno fornito in passato e su cui stanno lavorando per il futuro.

1. fogne
2. Acquedotti
3. Sistemi di biofiltrazione
4. Bioswale
5. Veicoli ibridi
6. LEED, BREEAM, Green Star e altri programmi di certificazione
7. Sistemi Ecosan
8. Irradiazione germicida ultravioletta
9. Agroforestale
10. Energia eolica ad alta quota dagli aquiloni

Abbiamo a lungo desiderato vivere in un ambiente privo di rifiuti umani, inizialmente a causa del cattivo odore, e poi, una volta stabilito il collegamento, per prevenire gravi e mortali focolai di malattie. I sistemi fognari si adattano al conto trasportando grandi quantità di escrementi umani lontano dalle aree popolate e si sono evoluti per migliaia di anni.

Tra il 2000 e il 4000 a.C., l'Impero Mesopotamico (l'attuale Iraq), Mohenjo-Daro (l'attuale Pakistan), l'Egitto, l'isola di Creta e le isole Orcadi in Scozia avevano già sistemi di drenaggio e, in alcuni casi, strutture igienico-sanitarie interne. Entro poche centinaia di anni aEV, i greci avevano sistemi fognari che trasportavano la pioggia e le acque reflue in bacini di raccolta che irrigavano e fertilizzavano i campi. Gli antichi romani disponevano di fognature sotterranee che sfociavano nel fiume Tevere.

Ci sono stati molti tentativi ed errori nel corso degli anni, con focolai di malattie che hanno sottolineato la necessità di tenere gli scarichi delle fognature lontano dall'acqua potabile. Con il tempo abbiamo appreso anche della necessità di mantenere le fognature, ed è nato (o reinventato, come vedremo più avanti) il tombino. La maggior parte è stata anche costruita per essere periodicamente risciacquata con acqua di marea o acqua piovana.

Dai tempi antichi fino a pochi decenni fa, le fognature trasportavano principalmente rifiuti grezzi direttamente in fiumi, oceani o altri grandi specchi d'acqua. I moderni sistemi fognari sono più complessi e portano a impianti di trattamento delle acque reflue in cui l'acqua viene trattata tramite filtrazione e aggiunta di varie sostanze chimiche per disinfettare e rimuovere i contaminanti prima che venga restituita alla natura. E senza dubbio continueranno ad evolversi.

Abbiamo bisogno di acqua per vivere, quindi non è un caso che molte civiltà antiche sorsero attorno a fonti d'acqua naturali. Ma gli antichi Greci e Romani trovarono un modo per contrastare, o almeno deviare, la 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 a valle attraverso condotti artificiali costruiti su un pendio in costante caduta.

Gli acquedotti erano principalmente realizzati con materiali come cemento, cemento, mattoni e pietra. Spesso provenivano da sorgenti nelle zone collinari, ma venivano costruiti anche dighe e bacini idrici per alimentarli da fiumi o torrenti. Quando si pensa agli acquedotti, vengono in mente i portici, o i ponti in pietra fuori terra sorretti da archi. Ma gli acquedotti erano anche costituiti da muri più corti, trincee a livello del suolo coperte, gallerie sotterranee e tubazioni 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 si trovava in un punto alto della città. Inviava l'acqua a castella più piccola, dalla quale defluiva attraverso condotte o tubazioni in muratura per alimentare fontane, bagni, bacini pubblici e talvolta anche residenze private.

Il primo acquedotto di Roma fu costruito nel 312 aC Al tempo della costruzione dell'Aqua Traiana da parte dell'imperatore Traiano intorno al 109 dC, gli acquedotti romani portavano quotidianamente centinaia di milioni di litri d'acqua nella città. Questi corsi d'acqua consentivano alle città romane di sostenere popolazioni molto più grandi di quelle che sarebbero state in grado di fare con le sole fonti d'acqua naturali.

La biofiltrazione è il processo di passaggio di aria o acqua attraverso un materiale poroso e umido contenente microrganismi al fine di rimuovere odori e contaminanti. I contaminanti vengono degradati a composti di base come l'acqua o l'anidride carbonica, insieme ad altri prodotti di biomassa benigna , tutti come sottoprodotti dei processi metabolici dei microbi. I sistemi di biofiltrazione vengono utilizzati per trattare le acque reflue e le emissioni gassose industriali, nonché le emissioni delle operazioni di compostaggio, tra le altre applicazioni. Sono stati utilizzati 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 a umidità, pH e controllo della temperatura, possono essere utilizzati per degradare efficacemente vari contaminanti target. A differenza dei filtri tradizionali, i biofiltri distruggono le sostanze nocive anziché 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, tra cui vernici, prodotti per la pulizia, cosmetici e combustibili. Sono tecnicamente composti di carbonio che reagiscono con le molecole contenenti ossigeno nell'atmosfera se esposti alla luce solare, portando alla formazione di smog contenente ozono.

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 le sostanze inquinanti prima che scorrano non trattate nei corpi idrici vicini o nei sistemi fognari. I bioswales possono essere utilizzati per formare canali che dirigono il flusso e filtrano l'acqua, oppure possono essere posizionati in strisce (a volte chiamate strisce di biofiltrazione o strisce di filtraggio) 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, come scarichi inferiori e trincee di infiltrazione.

I bioswales rimuovono contaminanti come 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 delle fognature e, nelle aree urbane che non hanno molta copertura vegetale, possono aiutare a prevenire lo straripamento delle fogne a causa della troppa pioggia che scende direttamente nello scarico.

La vegetazione varierà in base alla regione e, sfortunatamente, i bioswales non sono l'ideale 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 cemento. I bioswales possono persino finire per proteggere piccole forme di fauna selvatica come farfalle e uccelli. Sono un vantaggio per la natura.

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, gareggiarono al fianco di auto a gas, elettriche e persino a vapore per il predominio. Naturalmente, i veicoli a benzina hanno vinto la gara. Ma quando le questioni relative all'efficienza del carburante e alle emissioni sono diventate sempre più importanti, gli ibridi sono riemersi. I 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, introdotta in Giappone nel 1997 e negli Stati Uniti nel 2001. Da allora ne sono uscite molte altre.

Ci riferiamo qui ai veicoli ibridi-elettrici (HEV) che utilizzano motori a combustione e motori elettrici (chiamati anche generatori di motori) insieme per produrre una migliore resa chilometrica del gas rispetto alle auto standard.

Devi ancora riempirli di benzina, ma il motore elettrico aumenta l'efficienza del carburante consentendo al motore a combustione di spegnersi al minimo tramite avvio/arresto automatico. Fornisce inoltre potenza aggiuntiva mentre l'auto sta accelerando o procedendo in salita grazie all'azionamento/assistenza del motore elettrico, consentendo l'installazione di un motore a gas più piccolo ed 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 immagazzinata nella batteria all'idruro di metallo (NiMH) per un uso successivo. Alcuni degli ibridi più costosi possono anche funzionare in modalità solo elettrica per alcune miglia, anche se altri si spegneranno se non hanno benzina.

A seconda della marca e del modello, le auto ibride elettriche possono ottenere un consumo di carburante molto migliore rispetto ai veicoli tradizionali di dimensioni comparabili.

Gli edifici stanno diventando certificati verdi. Man mano che siamo diventati più consapevoli dell'effetto che i nostri edifici hanno sull'ambiente e su di noi direttamente, le organizzazioni hanno sviluppato metodi volontari per valutare l'impatto ambientale e l'efficienza di edifici, case e altre strutture simili. Questi includono il Building Research Establishment Environmental Assessment Method (BREEAM) e Leadership in Energy and Environmental Design ( 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 dallo US Green Building Council nel 1998. BREEAM e LEED sono i metodi più comunemente usati 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 si svolgono sia durante la progettazione che dopo il completamento. Possono essere valutate anche strutture esistenti o spazi interni commerciali. Gli standard possono essere adattati a diverse regioni o tipi di costruzione e gli edifici sono valutati in base a vari aspetti, tra cui l'efficienza energetica, l'efficienza idrica, l'uso del suolo, l'inquinamento, i rifiuti e la qualità dell'ambiente interno.

L'esistenza di tali entità di valutazione aiuta a portare nel mainstream pratiche edilizie e operative rispettose dell'ambiente, 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 ]. Andare green può anche ridurre i costi energetici, idrici e di altro tipo e migliorare la salute delle persone che lavorano nelle strutture. Come bonus aggiuntivo, buone valutazioni potrebbero qualificare un edificio per sconti fiscali e altri incentivi monetari e possono aumentare i valori di proprietà e affitto.

Ecosan (ecological sanitation) systems include various designs of environmentally friendly toilets or latrines that generally require little or no water, while isolating waste in a way that prevents odor and disease. In many cases, the resulting waste can even be composted and used as fertilizer or fuel. Some designs immediately separate the urine and feces (urine diversion systems). Some require covering the waste with sawdust, lye, sand or other material to eliminate odor, remove moisture and assist with decomposition for disposal or composting. Such systems are ideal for places where water is scarce, since they usually require no connection to a plumbing or sewer system.

One brand -- EcoSan -- was introduced in 2000. It's a stand-alone toilet; lifting the lid causes waste to make its way through a coiled conveyor over 25 or so days, all the while evaporating and venting the liquid waste and breaking down the solid waste using biological processes. Dry, odorless matter only 5 to 10 percent of its original mass is eventually deposited into a receptacle for removal and repurposing.

An ecosan toilet described by Unicef India is similar to a large outhouse with a concrete bunker underneath each toilet. The floor-level toilets have separate holes for liquids (which are diverted to pots outside) and solids, plus a cleansing water basin and a hole for users to drop a handful of lime, sawdust, ash or something similar after depositing solid waste to help with decomposition, moisture reduction and odor control.

There are other ecosan toilet construction methods and products that vary in price, functionality and complexity.

Ultraviolet germicidal irradiation (UVGI) rids water, air and surfaces of harmful microorganisms such as viruses and bacteria. Sunlight does this naturally to some extent. We know that UV light damages our skin and eyes; it also kills or inactivates some microorganisms.

UVGI systems use concentrated UV light to do so in a controlled manner, emitting shortwave ultraviolet-B and ultraviolet-C radiation at certain wavelengths, namely in the germicidal range between 200 and 320 nanometers -- often via a low-pressure mercury lamp. The UV light damages the cells or DNA of the affected microorganisms , killing them or rendering them unable to replicate. UV light in the higher 320 to 400 nanometer range is not effective against germs.

UVGI has been incorporated into ventilation ducts, heating and air conditioning systems and air disinfection units. It has also been used on entire rooms, preferably while they are unoccupied or everyone is in protective gear. Some systems emit UV light in near-ceiling areas to disinfect the air above peoples' heads in conjunction with vertical airflow mechanisms. High-efficiency particulate air (HEPA) filters or other types of filtration can be used alongside UVGI to remove other contaminants that UV won't kill.

Heavy research on UVGI was done from the 1930s through the 1970s in hospitals and schools, but despite its demonstrated efficacy, UVGI was mostly abandoned, in part due to breakthroughs in immunization, antibiotics advancements and safety concerns about UV radiation.

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.

Quando pensiamo di sfruttare l'energia del vento per fornire elettricità, la maggior parte di noi probabilmente pensa ai mulini a vento. Pochissimi pensano agli aquiloni. Ma una start-up nell'area di San Francisco fondata nel 2006 chiamata Makani Power ha lavorato sull'utilizzo di turbine eoliche simili ad aquiloni attaccate a dei 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) da terra e sono sia il metodo di sospensione che il metodo per trasmettere l'energia alla base. Gli stessi aquiloni sono lunghi circa cento piedi 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 in bilico. E sono abbastanza leggeri da mantenere l'altitudine con venti più lenti di 15 miglia orarie (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.

È probabile che gli aquiloni - ancora a pochi anni dalla disponibilità commerciale - vengano utilizzati lungo le coste o nell'oceano attaccati 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) e dovrebbe essere acquisita da Google X, il laboratorio che lavora su progetti come Google Glass e auto a guida autonoma.

Nota dell'autore: 10 progressi nell'ingegneria ambientale

Come abitante di questo pianeta, sono molto interessato a cosa possiamo fare per utilizzare e conservare correttamente le nostre risorse naturali. Un po' perché è la cosa giusta da fare, un po' perché mi piace vivere e respirare. Preferisco anche il mio cibo, aria e acqua non contaminati da malattie e sostanze inquinanti. Mi piace avere acqua corrente pulita che arriva direttamente a casa mia e bagni funzionanti privi di odori nocivi.

Questa è tutta roba abbastanza ovvia, ma quante volte pensiamo a come è stato raggiunto il nostro attuale stato igienico? Ci ho pensato solo poco prima di ricercare questo articolo. Sono grato per tutti i nostri moderni comfort sanitari e per gli scienziati e gli ingegneri passati e presenti che li hanno resi possibili. Rimaniamo liberi dal colera, gente!

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