Les communautés vertes comme West Village à UC Davis en Californie semblent être un concept ultra-moderne, mais l'humanité a trouvé des moyens de travailler avec l'environnement pendant des siècles. © Billy Hustace/Corbis L'ingénierie de l'environnement est quelque chose que vous pouvez obtenir un diplôme de nos jours, mais le champ en est un qui existait bien avant d'avoir un nom, commencé à l'aube de la civilisation lorsque nous avons commencé à modifier notre environnement pour répondre à nos besoins. Cela implique d'appliquer les pratiques scientifiques et techniques à la façon dont nous utilisons et impactons nos ressources naturelles. Les ingénieurs environnementaux modernes travaillent sur des solutions à des problèmes tels que la réduction de la pollution et le nettoyage, consommation d'énergie et émissions, érosion des terres, le traitement de l'eau et la gestion des déchets dans le but de bien gérer et maintenir la qualité de nos sols, eau et air. Ils s'efforcent de garder tout le monde en meilleure santé et plus heureux en nous aidant à vivre de la terre de manière plus efficace et moins destructrice.
Les ingénieurs environnementaux sont peut-être des héros méconnus qui ont contribué à faire du monde moderne ce qu'il est aujourd'hui, rempli d'aliments et d'eau relativement sûrs, air respirable, des environnements de vie largement exempts de peste et une consommation de carburant économe en énergie pour nous aider à alimenter à peu près tout ce que nous faisons. La population humaine est d'environ 7 milliards et plus. Le domaine ne fera qu'augmenter en importance à mesure que ce nombre augmentera.
Il y a déjà eu des innovations majeures qui ont aidé la plupart d'entre nous à vivre et à se porter bien. Lisez la suite pour découvrir quelles sortes de choses ces intendants de la terre nous ont fourni dans le passé, et travaillent pour l'avenir.
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Les égoutiers de Thames Water Utilities inspectent un égout sous les rues de Londres. © Richard Baker/En images/Corbis Nous avons longtemps souhaité vivre dans un environnement exempt de déchets humains, initialement à cause de l'odeur nauséabonde, et ensuite, une fois la connexion établie, pour prévenir les épidémies graves et mortelles. Les systèmes d'égouts font l'affaire en transportant de grandes quantités d'excréments humains loin des zones peuplées, et ils évoluent depuis des milliers d'années.
Entre 2000 et 4000 avant notre ère, l'Empire mésopotamien (Irak actuel), Mohenjo-Daro (Pakistan d'aujourd'hui), Egypte, l'île de Crète et les îles Orcades en Écosse disposaient déjà de systèmes de drainage -- et, dans certains cas, installations sanitaires intérieures. Quelques centaines d'années avant notre ère, les Grecs avaient des systèmes d'égouts qui transportaient la pluie et les eaux usées vers des bassins de collecte qui irriguaient et fertilisaient les champs. Les anciens Romains avaient des égouts souterrains qui se jetaient dans le Tibre.
Il y a eu beaucoup d'essais et d'erreurs au fil des ans, avec des épidémies soulignant la nécessité de maintenir les sorties d'égout loin de l'eau potable. Heures supplémentaires, nous avons également appris la nécessité d'entretenir les égouts, et le regard est né (ou réinventé, comme nous le verrons plus tard). La plupart ont également été construits pour être périodiquement rincés avec l'eau de marée ou l'eau de pluie.
Depuis les temps anciens jusqu'à il y a quelques décennies, les égouts transportent principalement les déchets bruts directement vers les rivières, océans ou d'autres grandes étendues d'eau. Les systèmes d'égouts modernes sont plus complexes, menant à des usines de traitement des eaux usées où l'eau est traitée par filtration et ajout de divers produits chimiques pour désinfecter et éliminer les contaminants avant qu'elle ne soit rendue à la nature. Et nul doute qu'ils continueront d'évoluer.
Ruines de l'aqueduc Claudien, construit en 313 avant notre ère, près de Rome, Italie. © Bettmann/CORBIS Nous avons besoin d'eau pour vivre, Ce n'est donc pas une coïncidence si de nombreuses civilisations anciennes se sont développées autour de sources d'eau naturelles. Mais les anciens Grecs et Romains ont trouvé un moyen de contrecarrer, ou au moins détourner, nature avec l'invention des aqueducs. Les aqueducs étaient utilisés pour transporter de grandes quantités d'eau d'un endroit à un autre, parfois jusqu'à 96,6 kilomètres. Ils ont utilisé la force de gravité pour déplacer l'eau vers le bas via des conduits artificiels construits à une pente descendante constante.
Les aqueducs étaient principalement constitués de matériaux comme le béton, ciment, brique et pierre. Ils provenaient souvent de sources dans des régions vallonnées, mais des barrages et des réservoirs ont également été construits pour les alimenter à partir de rivières ou de ruisseaux. Quand on pense aux aqueducs, les arcades, ou ponts de pierre hors sol soutenus par des arches, viennent à l'esprit. Mais les aqueducs étaient aussi constitués de murs plus courts, tranchées couvertes au niveau du sol, tunnels et canalisations souterrains pour faciliter la circulation de l'eau à travers une grande variété de paysages.
La destination d'un aqueduc était un réservoir de distribution appelé castellum, qui était généralement à un point élevé de la ville. Il a envoyé de l'eau à plus petit castella, d'où il s'écoulait par des conduits de maçonnerie ou des tuyaux pour alimenter des fontaines, thermes, des abreuvoirs publics et parfois même des résidences privées.
Le premier aqueduc de Rome a été construit en 312 avant notre ère. Au moment de la construction de l'Aqua Traiana par l'empereur Trajan vers 109 de notre ère, les aqueducs romains apportaient quotidiennement des centaines de millions de gallons d'eau dans la ville. Ces voies navigables ont permis aux villes romaines de soutenir des populations beaucoup plus importantes qu'elles n'auraient pu le faire avec les seules sources d'eau naturelles.
Bassin de biofiltration près de Mombasa, Kenya. Le chou du Nil dans l'étang élimine les impuretés de l'eau afin qu'il puisse être utilisé comme ferme piscicole. ©Chinch Gryniewicz; Ecoscène/CORBIS La biofiltration est le processus consistant à faire passer de l'air ou de l'eau à travers un matériau poreux, matériau humide contenant des micro-organismes afin d'éliminer les odeurs et les contaminants. Les contaminants sont dégradés en composés basiques comme l'eau ou le dioxyde de carbone, avec d'autres produits de biomasse bénins, tous comme sous-produits des processus métaboliques des microbes. Les systèmes de biofiltration sont utilisés pour traiter les eaux usées et les émissions gazeuses industrielles, ainsi que les émissions des opérations de compostage, entre autres applications. Ils sont utilisés depuis les années 1950 pour éliminer les odeurs nauséabondes, mais voient maintenant une utilisation généralisée pour l'élimination des contaminants industriels également.
Différentes souches de bactéries, avec l'humidité, contrôle du pH et de la température, peut être utilisé pour dégrader efficacement divers contaminants cibles. Contrairement aux filtres traditionnels, les biofiltres détruisent les substances nocives au lieu de simplement les filtrer, mais ils ne peuvent fonctionner qu'avec des contaminants biodégradables. La biofiltration est principalement utilisée pour détruire les émissions toxiques telles que les hydrocarbures générés par les carburants et certains types de composés organiques volatils (COV).
Les COV sont créés et libérés lors de la production d'une grande variété de produits contenant des produits chimiques organiques, y compris les peintures, les fournitures de nettoyage, cosmétiques et carburants. Ce sont techniquement des composés carbonés qui réagissent avec les molécules contenant de l'oxygène dans l'atmosphère lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil, conduisant à la formation de smog contenant de l'ozone.
Le West Village du campus UC Davis, la plus grande communauté à énergie nette zéro (ZNE) des États-Unis - il génère autant d'énergie qu'il en consomme, et utilise des biorigoles pour capter l'eau de pluie. © Billy Hustace/Corbis Les biorigoles sont des plaques de végétation constituées d'herbe, fleurs, arbres ou autres plantes absorbant les eaux de ruissellement, aider à dégrader ou à éliminer les polluants avant qu'ils ne se déversent non traités dans les plans d'eau à proximité, ou dans les égouts. Les biorigoles peuvent être utilisées pour former des canaux qui dirigent le flux et filtrent l'eau, ou ils peuvent être placés dans des bandes (parfois appelées bandes de biofiltration ou bandes filtrantes) pour capter l'eau qui s'écoule en fines feuilles des zones pavées. Certaines rigoles biologiques comprennent également d'autres mécanismes pour orienter et filtrer davantage les eaux de ruissellement, tels que les drains souterrains et les tranchées d'infiltration.
Les biorigoles éliminent les contaminants comme les métaux lourds, huile, graisses et sédiments du ruissellement. Ils refroidissent également l'eau qui s'est réchauffée en traversant la chaussée avant qu'elle n'atteigne les plans d'eau naturels, où une eau plus chaude pourrait nuire à la faune. Ils peuvent être utilisés dans les parkings à la place des égouts pluviaux, et, en milieu urbain peu couvert végétal, ils peuvent aider à empêcher les égouts de déborder en raison de trop de précipitations qui tombent directement dans les égouts.
La végétation varie selon les régions, et malheureusement, les rigoles biologiques ne sont pas idéales pour les climats arides. Mais dans des endroits qui peuvent les soutenir, bioswales peut faire beaucoup de bien. Ils ressemblent aussi à de petits parcs paysagers dans certains cas, qui sont plus esthétiques que les structures de drainage en béton. Les biorigoles peuvent même finir par abriter de petites formes d'animaux sauvages comme les papillons et les oiseaux. Ils sont gagnant-gagnant pour la nature.
La Prius de Toyota a été la première voiture hybride disponible dans le commerce. Ici, Toyota présente l'Aqua - une sous-compacte hybride essence-électrique à hayon - dans la salle d'exposition de l'entreprise à Tokyo le 8 mai 2013. © KAZUHIRO NOGI/AFP/Getty Images Les voitures hybrides ont été inventées bien plus tôt que la plupart d'entre nous ne l'imaginent. A la fin du XIXe et au début du XXe siècle, ils ont concouru aux côtés du gaz, voitures électriques et même à vapeur pour la domination. Bien sûr, les véhicules à essence seulement ont gagné la journée. Mais à mesure que les questions d'efficacité énergétique et d'émissions devenaient de plus en plus importantes, les hybrides ont réapparu. De nouveaux prototypes hybrides ont été développés à partir des années 1970, mais la plupart ne sont jamais arrivés sur le marché. Le premier hybride disponible dans le commerce était la Toyota Prius, introduit au Japon en 1997 et aux États-Unis en 2001. Beaucoup d'autres sont sortis depuis.
Nous faisons référence ici aux véhicules électriques hybrides (HEV) qui utilisent des moteurs à combustion et des moteurs électriques (également appelés générateurs de moteur) conjointement pour produire une meilleure consommation d'essence que les voitures standard.
Encore faut-il faire le plein d'essence, mais le moteur électrique permet de gagner en efficacité énergétique en permettant au moteur à combustion de s'arrêter au ralenti via un démarrage/arrêt automatique. Il fournit également une puissance supplémentaire lorsque la voiture accélère ou monte grâce à l'entraînement/assistance du moteur électrique, permettant l'installation d'un plus petit, moteur à essence plus efficace. Certains hybrides utilisent le freinage par récupération. Pendant que le moteur applique une résistance à la transmission et ralentit la voiture, l'énergie de la roue fait tourner le moteur et génère de l'électricité, qui est stocké dans la batterie à hydrure métallique (NiMH) pour une utilisation ultérieure. Certains des hybrides les plus chers peuvent également fonctionner en mode électrique uniquement sur quelques kilomètres, bien que d'autres fermeront s'ils n'ont pas de gaz.
Selon la marque et le modèle, les voitures hybrides-électriques peuvent obtenir une consommation d'essence bien meilleure que les véhicules traditionnels de taille comparativement.
Tour de Hearst, le premier bâtiment commercial vert occupé avec certification LEED. © Ramin Talaie/Corbis Les bâtiments passent au vert. Comme nous sommes devenus plus conscients de l'effet que nos bâtiments ont sur l'environnement et sur nous directement, les organisations ont développé des méthodes volontaires d'évaluation de l'impact environnemental et de l'efficacité des bâtiments, maisons et autres structures similaires. Il s'agit notamment de la méthode d'évaluation environnementale du Building Research Establishment (BREEAM) et du Leadership in Energy and Environmental Design (LEED). BREEAM a été lancé en 1990 par le BRE Trust et a été la norme d'évaluation dominante au Royaume-Uni. LEED est une norme américaine créée par le U.S. Green Building Council en 1998. BREEAM et LEED sont les méthodes les plus couramment utilisées dans le monde à l'heure actuelle, mais d'autres surgissent, comme Green Star -- créé par le Green Building Council of Australia (GBCA) en 2003 -- ainsi que CASBEE au Japon et Estidama à Abu Dhabi.
Les évaluations ont lieu à la fois pendant la conception et après l'achèvement. Les structures existantes ou les espaces intérieurs commerciaux peuvent également être évalués. Les normes peuvent être adaptées à différentes régions ou types de construction, et les bâtiments sont évalués sur diverses choses, y compris l'efficacité énergétique, efficacité de l'eau, l'utilisation des terres, la pollution, déchets et qualité de l'environnement intérieur.
L'existence de telles entités d'évaluation contribue à intégrer des pratiques de construction et d'exploitation respectueuses de l'environnement, ce qui est d'autant plus important que les bâtiments contribuent apparemment à plus de 20 % des émissions de gaz à effet de serre dans certaines régions [source :HVN Plus]. Passer au vert peut aussi réduire la consommation d'énergie, l'eau et les autres coûts et améliorer la santé des personnes travaillant dans les structures. En prime, de bonnes notes pourraient qualifier un bâtiment pour des réductions d'impôts et d'autres incitations monétaires, et peut augmenter les valeurs immobilières et locatives.
L'utilisation d'une toilette à compost est démontrée lors d'une retraite de yoga à Goa, Inde en février 2012. Des pots avec du matériel pour couvrir les déchets et aider à la décomposition sont conservés à côté des latrines. © EyesWideOpen/Getty Images Les systèmes Ecosan (assainissement écologique) comprennent diverses conceptions de toilettes ou de latrines respectueuses de l'environnement qui nécessitent généralement peu ou pas d'eau, tout en isolant les déchets de manière à prévenir les odeurs et les maladies. Dans de nombreux cas, les déchets qui en résultent peuvent même être compostés et utilisés comme engrais ou combustible. Certaines conceptions séparent immédiatement l'urine et les matières fécales (systèmes de dérivation de l'urine). Certains nécessitent de recouvrir les déchets de sciure de bois, lessive, sable ou autre matériau pour éliminer les odeurs, éliminer l'humidité et aider à la décomposition pour l'élimination ou le compostage. De tels systèmes sont idéaux pour les endroits où l'eau est rare, car ils ne nécessitent généralement aucun raccordement à un système de plomberie ou d'égout.
Une marque -- EcoSan -- a été introduite en 2000. C'est une toilette autonome; le fait de soulever le couvercle fait cheminer les déchets dans un convoyeur enroulé pendant environ 25 jours, tout en évaporant et en ventilant les déchets liquides et en décomposant les déchets solides à l'aide de procédés biologiques. Sécher, matière inodore, seulement 5 à 10 pour cent de sa masse d'origine sont finalement déposés dans un réceptacle pour être retirés et réutilisés.
Une toilette ecosan décrite par Unicef India est similaire à une grande dépendance avec un bunker en béton sous chaque toilette. Les toilettes au niveau du sol ont des trous séparés pour les liquides (qui sont détournés vers des pots à l'extérieur) et les solides, plus un bassin d'eau de nettoyage et un trou pour que les utilisateurs déposent une poignée de chaux, sciure, cendres ou quelque chose de similaire après avoir déposé des déchets solides pour aider à la décomposition, réduction de l'humidité et contrôle des odeurs.
Il existe d'autres méthodes et produits de construction de toilettes ecosan dont le prix varie, fonctionnalité et complexité.
L'usine NEWater à Singapour, photographié ici, utilise le rayonnement ultraviolet pour désinfecter l'eau. © ROSLAN RAHMAN/AFP/Getty Images L'irradiation germicide ultraviolette (UVGI) débarrasse l'eau, l'air et les surfaces de micro-organismes nocifs tels que les virus et les bactéries. La lumière du soleil le fait naturellement dans une certaine mesure. Nous savons que la lumière UV endommage notre peau et nos yeux; il tue ou inactive également certains micro-organismes.
Les systèmes UVGI utilisent une lumière UV concentrée pour le faire de manière contrôlée, émettre des rayonnements ultraviolets B et ultraviolets C à ondes courtes à certaines longueurs d'onde, à savoir dans la gamme germicide entre 200 et 320 nanomètres - souvent via une lampe au mercure à basse pression. La lumière UV endommage les cellules ou l'ADN des micro-organismes affectés, les tuer ou les rendre incapables de se reproduire. La lumière UV dans la plage supérieure de 320 à 400 nanomètres n'est pas efficace contre les germes.
UVGI a été incorporé dans les conduits de ventilation, systèmes de chauffage et de climatisation et unités de désinfection de l'air. Il a également été utilisé sur des pièces entières, de préférence lorsqu'ils sont inoccupés ou que tout le monde porte un équipement de protection. Certains systèmes émettent de la lumière UV dans les zones proches du plafond pour désinfecter l'air au-dessus de la tête des personnes en conjonction avec des mécanismes de flux d'air verticaux. Des filtres à air particulaires à haute efficacité (HEPA) ou d'autres types de filtration peuvent être utilisés avec UVGI pour éliminer d'autres contaminants que les UV ne tueront pas.
Des recherches approfondies sur l'UVGI ont été menées des années 1930 aux années 1970 dans les hôpitaux et les écoles, mais malgré son efficacité démontrée, UVGI a été en grande partie abandonnée, en partie à cause des percées dans le domaine de la vaccination, les progrès des antibiotiques et les problèmes de sécurité liés au rayonnement UV.
La prévalence croissante des germes résistants aux antibiotiques (y compris les souches de tuberculose résistantes aux médicaments) et la peur du bioterrorisme ont renouvelé l'intérêt pour l'UVGI. Il est le plus souvent accepté pour la désinfection de l'eau, mais les usages de la désinfection de l'air et des surfaces continuent de gagner du terrain. En 2003, les Centers for Disease Control (CDC) ont autorisé son utilisation dans les hôpitaux en conjonction avec des systèmes de purification de l'air pour aider à contrôler la propagation de la tuberculose.
Cette ferme au Kenya fait pousser des arbres aux côtés des cultures pour maintenir un paysage agricole productif. ©Wendy Stone/Corbis L'agroforesterie est la gestion simultanée des arbres et arbustes avec les cultures et/ou l'élevage pour plus d'efficacité, utilisation des terres intégrée et écologiquement durable. Appliqué correctement, il augmente la diversité des produits, la production agricole et la qualité des sols et de l'eau et diminue l'érosion, la pollution et la susceptibilité aux intempéries. Il peut également être utilisé pour abriter la faune, protéger les bassins versants et gérer plus efficacement les émissions de carbone. Tous ces éléments peuvent contribuer à augmenter les revenus des agriculteurs et à améliorer l'environnement.
Diverses méthodes d'agroforesterie peuvent être employées en fonction des terres et des ressources disponibles. L'une est la culture en couloirs - faire pousser des cultures le long de rangées d'arbres comme le chêne, cendre, noyer, noix de pécan ou autres arbres à noix. Les cultures et les noix peuvent être récoltées et vendues pendant que les arbres mûrissent et continuent à produire des noix. Une autre est l'agriculture forestière, utiliser des canopées d'arbres pour fournir le bon niveau d'ombre aux cultures comme les fougères, champignons et ginseng. Ceux-ci peuvent également être vendus avant que les arbres ne soient prêts pour la récolte. Un troisième est la création de zones tampons forestières riveraines -- groupes d'arbres, des arbustes et des graminées sont plantés comme tampon pour empêcher la pollution et l'érosion des berges et des cours d'eau. De la même manière, les arbres et les arbustes peuvent être plantés dans des configurations appelées brise-vent qui protègent les cultures des dommages causés par le vent et de l'érosion et protègent les animaux contre les dommages. Les brise-vent peuvent augmenter la pollinisation des abeilles et gérer la propagation de la neige sur les cultures ou les routes. Une autre méthode d'agroforesterie est le sylvopasture, utilisant des arbres pour abriter le bétail et les herbes et autres plantes dont ils se nourrissent. Dans tous les cas, cultures, les animaux et les arbres coexistent en symbiose, et l'agriculteur peut se concentrer sur la récolte de tout ce qui est prêt à ce moment-là.
Dans certains pays, les politiques gouvernementales étouffent ces pratiques, en partie à cause des déconnexions entre les agences qui s'occupent des différents éléments concernés. Mais une attention croissante est accordée à l'agroforesterie en tant que méthode d'agriculture durable. Aux Etats-Unis., le Farm Bill de 1990 a conduit à la création du Centre national d'agroforesterie de l'USDA.
Sur cette photo du test de Makani de l'aile 7 à Alameda, Californie fin 2011, vous pouvez voir les turbines génératrices d'énergie montées sur la structure. ©Makani Power, A. Dunlap, 2011 Quand nous pensons à exploiter la puissance du vent pour fournir de l'électricité, la plupart d'entre nous pensent probablement aux moulins à vent. Très peu pensent cerfs-volants. Mais une start-up de la région de San Francisco fondée en 2006 appelée Makani Power a travaillé sur l'utilisation d'éoliennes en forme de cerf-volant attachées à des attaches pour générer de l'énergie éolienne à haute altitude, où il y a des vents plus forts et plus stables que nous avons au niveau du sol. Makani signifie vent en hawaïen, incidemment.
Les attaches peuvent atteindre jusqu'à 2, 000 pieds (609,6 mètres) au-dessus du sol, et ils sont à la fois la méthode de suspension et la méthode de transmission de l'énergie à la base. Les cerfs-volants eux-mêmes mesurent environ trente mètres de long et sont en fibre de carbone. Ils ont quatre hélices et intègrent des capteurs et des unités GPS sur les ailes qui transmettent des données pouvant être utilisées pour optimiser leur vol. En fait, ils volent en boucle plutôt que de planer. Et ils sont suffisamment légers pour maintenir l'altitude dans des vents inférieurs à 15 miles par heure (MPH).
Les turbines auraient le potentiel de générer deux fois plus d'énergie, peut-être même plus, à la moitié du coût des éoliennes modernes au sol. Les coûts sont compétitifs avec ceux de la combustion du charbon, et prennent moins de place que les autres méthodes de production d'électricité.
Les cerfs-volants - encore à quelques années de la disponibilité commerciale - sont susceptibles d'être utilisés le long des rivages, ou dans l'océan attaché à des bouées. Makani Power a reçu un financement de Google et de l'Agence des projets de recherche avancée pour le ministère de l'Énergie (ARPA-E), et il devrait être acquis par Google X, le laboratoire travaille sur des projets comme Google Glass et les voitures autonomes.
En tant qu'habitant de cette planète, Je m'intéresse beaucoup à ce que nous pouvons faire pour bien utiliser et conserver nos ressources naturelles. En partie parce que c'est la bonne chose à faire, et en partie parce que j'aime vivre et respirer. Je préfère aussi ma nourriture, air et eau non contaminés par les maladies et les polluants. J'aime avoir de l'eau courante propre qui arrive directement dans ma maison et des salles de bain fonctionnelles sans odeurs nocives.
Tout cela est assez évident, mais combien de fois pensons-nous à la façon dont notre état d'hygiène actuel a été atteint ? Je n'y ai que peu réfléchi avant de faire des recherches sur cet article. Je suis reconnaissant pour toutes nos commodités sanitaires modernes et les scientifiques et ingénieurs passés et présents qui les ont rendues possibles. Restons sans choléra, personnes!
