La gestione dell’acqua con fognature e impianti di trattamento delle acque reflue centralizzati non è più sostenibile e non rappresenta una soluzione globale. Gli ingegneri ambientali del Politecnico di Zurigo e dell’Eawag stanno aprendo la strada a un’infrastruttura idrica più decentrata e riciclabile.
Lontano dagli occhi, lontano dal cuore e fuori dagli insediamenti il più rapidamente possibile. Da quando esistono i sistemi fognari, abbiamo buttato fuori dalle case e dalle città i nostri escrementi con abbondante acqua dolce. La moderna gestione delle acque è una delle grandi conquiste del secolo scorso. Ci fornisce acqua potabile, smaltisce e pulisce le acque reflue e drena l’acqua piovana dagli insediamenti. "In questo modo, ci garantisce piedi asciutti e condizioni igieniche - due pilastri della salute pubblica nelle città densamente popolate", afferma Max Maurer, professore di sistemi di gestione delle acque urbane al Politecnico di Zurigo e all’Eawag, l’istituto di ricerca sulle acque del settore dei PF.
Per rendere possibile tutto ciò, i Paesi industrializzati come la Svizzera hanno costruito un’enorme infrastruttura. In questo Paese, il suo valore è di ben 230 miliardi di franchi svizzeri. Si tratta di circa 200.000 chilometri di tubature per l’acqua potabile e le acque reflue che si estendono per cinque volte di seguito intorno alla terra. E una vasta rete di fognature sotterranee che trasportano le acque reflue a quasi 800 impianti di trattamento centrali.
Questo approccio alla gestione dell’acqua si è dimostrato valido nei Paesi industrializzati e per decenni è stato considerato il punto di riferimento per il resto del mondo. "Ma la nostra gestione convenzionale dell’acqua non è sostenibile e sta raggiungendo sempre più i suoi limiti", afferma Maurer.
Da rifiuto a materiale riciclabile
Anche Kai Udert, professore presso l’Istituto di Ingegneria Ambientale del Politecnico di Zurigo e scienziato senior dell’Eawag, è critico nei confronti dell’approccio convenzionale: "Il fatto che diluiamo feci, urine e acque grigie leggermente inquinate provenienti da bagni e cucine con acqua potabile per trasportarle attraverso il sistema fognario è davvero assurdo".
Udert è un esperto di ingegneria di processo e vede le acque reflue non come un carico puzzolente da smaltire, ma come una preziosa risorsa da sfruttare. Spiega in modo accattivante perché non considera più l’approccio convenzionale al passo con i tempi: "Le acque reflue sono uno degli ultimi flussi di rifiuti lineari. Tutto, sporco o pulito che sia, finisce nello stesso vaso e viene smaltito: questo è inefficiente e crea una serie di problemi che si cerca di risolvere da anni". Tra l’altro, il sistema spreca molta acqua, energia e preziosi nutrienti che vanno persi e danneggiano l’ambiente se non li reinseriamo nel ciclo.
Nel frattempo, le sfide si moltiplicano: cambiamenti climatici, rapido invecchiamento delle infrastrutture, aumento della popolazione, crescente urbanizzazione e, non da ultimo, aumento della richiesta di impianti di trattamento delle acque reflue per rimuovere nuovi microinquinanti - tutto questo mette sotto pressione l’industria delle acque reflue.
Maurer e Udert chiedono un ripensamento. Sostengono un cambiamento di paradigma nella gestione delle acque urbane: abbandonare pochi impianti centralizzati per passare a un trattamento delle acque reflue organizzato in modo decentrato e basato su un’infrastruttura idrica modulare, al fine di gestire le acque urbane in modo più efficiente ed efficace.
Riciclaggio alla fonte
Maurer spiega: "Consideriamo i piccoli impianti di trattamento delle acque reflue decentralizzati e altamente efficienti come un’alternativa complementare, in grado di trattare le acque reflue in modo più flessibile e in loco" I processi che potrebbero essere utilizzati per tali impianti su piccola scala sono stati sviluppati per anni presso l’Eawag da Udert e Maurer. I ricercatori sono guidati da tre principi, che mirano a ottenere un’igiene orientata alle risorse e riciclabile:
Separazione delle sostanze alla fonte (no-mix): Se gli escrementi e l’acqua non vengono mescolati, possono essere trattati e riutilizzati molto più facilmente.
Recupero delle risorse: sostanze nutritive come l’azoto o il fosforo possono essere recuperate dall’urina e dalle feci. Le acque reflue di cucine, bagni o lavatrici, note come acque grigie, sono solo leggermente contaminate e vengono trattate e riutilizzate più volte. Viene recuperata energia termica. Se le sostanze nutritive vengono portate nei campi come fertilizzanti, i cicli nutritivi vengono chiusi, il che alleggerisce l’ambiente e riduce la dipendenza dalle importazioni di fertilizzanti minerali.
La decentralizzazione mira a sostituire il costoso trasporto dell’acqua in reti di tubature organizzate centralmente e richiede che le acque reflue e i rifiuti siano trattati il più vicino possibile alla fonte.
Nel seminterrato del NEST, l’edificio di ricerca e innovazione dell’Empa e dell’Eawag, i ricercatori sviluppano e testano nuove tecnologie per le acque reflue. Alcuni dei processi utilizzati possono essere ricondotti a progetti di ricerca avviati più di 15 anni fa per sviluppare soluzioni igienico-sanitarie off-grid per i Paesi del Sud del mondo. Esempi noti sono i progetti Vuna e Blue Diversion Autarky, che hanno sviluppato soluzioni per smaltire le acque reflue in modo sicuro ed economico senza fognature alluvionali e impianti di depurazione centrali.
Vuna è l’acronimo di "Valorisation of Urine Nutrients in Africa". In questo metodo, che il Politecnico di Zurigo ha contribuito a sviluppare, l’urina viene raccolta separatamente e trasformata in fertilizzante in un impianto di trattamento remoto. Il secondo progetto ha dato vita alla "Blue Diversion Autarky Toilet": la casa all-in-one tratta l’urina, le feci e l’acqua di scarico direttamente nella toilette in moduli separati, con l’acqua di scarico che viene riutilizzata.
Reattore per biogas e pastorizzatore
Elizabeth Tilley sa bene quanto sia grande la necessità di concetti fondamentalmente nuovi per i sistemi igienico-sanitari decentralizzati privi di allacciamenti idrici in molte regioni del mondo. Da giovane scienziata, ha lavorato all’Eawag e ha conseguito il dottorato nel progetto di riciclaggio dei nutrienti Vuna in Sudafrica, guidato da Udert. Oggi è professoressa di Ingegneria della salute globale al Politecnico di Zurigo e con il suo gruppo sviluppa approcci accessibili e socialmente accettabili che proteggono la salute umana e l’ambiente.
Circa 2,3 miliardi di persone utilizzano tecnologie igieniche come le latrine a fossa come prima barriera contro gli agenti patogeni. Tuttavia, le latrine devono essere svuotate regolarmente e qui inizia il problema: se i fanghi non vengono trattati o finiscono nell’ambiente, possono diffondersi malattie infettive come il colera.
Per questo motivo sono urgentemente necessarie soluzioni decentrate che siano accessibili, robuste e facili da usare. Promettente è un "reattore di biogas" - essenzialmente un grande pallone di gomma che può trattare in una certa misura i fanghi fecali senza ossigeno. Ma le acque reflue non sono ancora sicure da smaltire. Questo processo anaerobico, infatti, produce come sottoprodotto un gas ricco di metano, adatto alla cucina come il propano o il gas naturale.
Insieme alla società di ingegneria keniota Opero e a un fornitore messicano di reattori per biogas, Tilley e il suo team hanno deciso di utilizzare il biogas dei fanghi di depurazione come combustibile per un impianto in grado di riscaldare le acque reflue fino a far morire tutti gli agenti patogeni. Il progetto è stato sostenuto finanziariamente da ETH for Development (ETH4D).
Julia Jäggi, studentessa di Master presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e di Processo, ha trascorso tre mesi a Kisumu, sulle rive del Lago Vittoria, per sviluppare e testare un "pastorizzatore" di questo tipo per circa 500 persone. "L’ingegneria in laboratorio è una cosa, ma questo incarico ha messo alla prova la nostra flessibilità e creatività; ogni giorno dovevamo risolvere i problemi al volo e sfruttare al meglio le risorse che avevamo", dice Jäggi. Tilley è fiducioso che il loro sistema igienico-sanitario sarà presto disponibile e potrà aiutare a prevenire le malattie infettive.
Il know-how torna a circolare
Non c’è dubbio: l’acqua sarà la grande sfida globale del futuro. Anche in Svizzera dovremo utilizzare le risorse idriche in modo più intelligente ed economico. "I concetti che abbiamo sviluppato 15 anni fa per i Paesi più poveri stanno diventando sempre più interessanti anche per la Svizzera. Oggi stiamo beneficiando di queste conoscenze", afferma Udert.
Maurer e Udert ipotizzano che presto saranno disponibili impianti modulari per il trattamento delle acque reflue negli insediamenti e piccoli reattori per le acque reflue nelle case. Il progetto di ricerca Comix, co-diretto da Maurer, ha recentemente analizzato il potenziale della gestione modulare delle acque per la Svizzera. Secondo lo studio, la quota di impianti di trattamento delle acque reflue decentralizzati potrebbe passare dall’attuale 2,5% al 50% nel lungo periodo.
Ancora di più: la Svizzera avrebbe la possibilità di rendere le proprie infrastrutture idriche compatibili con il clima in una fase precoce e di posizionarsi come mercato di sviluppo e di prova per la gestione modulare dell’acqua di domani. In effetti, con le istituzioni del settore dei PF, le università di scienze applicate e l’industria, il Paese dispone da anni di enormi competenze in tutte le questioni relative alla gestione dell’acqua. "Solo che finora queste competenze sono state poco utilizzate", afferma Maurer.
Sarebbe necessario uno sforzo concertato da parte della ricerca, dell’industria e del settore pubblico per dimostrare la fattibilità in progetti pilota e creare un mercato iniziale. "I processi, il know-how e le risorse finanziarie sarebbero disponibili", conferma Udert.
Michael Keller
