Cos'è e come funziona una Living Machine?

L'idea apparve per la prima volta negli anni '70 dello scorso secolo. Il biologo americano John Todd, diffuse le sue teorie legate alla risoluzione di problematiche come la produzione di cibo e la gestione e riqualificazione di acque reflue, urbane e non. E' proprio lui a introdurre il concetto di Living Machine, un complesso sistema ecologico di trattamento di acque di scarico progettato per migliorare la qualità di specifici flussi idrici di scarico urbano e industriale usando i principi fondamentali dell'ingegneria ecologica. Questi tipi di trattamenti funzionano con standards avanzati in termini di affidabilità, estetica e durabilità. 

(Una particolare Living Machine a cielo aperto. Come si può notare in questa foto si possono notare i reattori aerobici chiusi e quelli aperti che permettono la crescita di specie vegetali)

Le Living Machines costano circa il 15% in meno dei sistemi convenzionali di trattamenti di acque reflue; presenta minori spese per la realizzazione, uguali spese di gestione, e inoltre, in comparazione con i sistemi di trattamento tradizionali, le Living Machine producono il 65% di fanghi residui in meno, in più utilizzabili come ottimo concime organico in agricoltura poiché privi di inquinanti chimici. Le Living Machine quindi sono sistemi completamente naturali. La configurazione è la seguente. L'acqua passa attraverso sei differenti ecologie: un reattore anaerobico, un reattoreanossico, un reattore aerobico chiuso, un reattore aerobico aperto, un chiarificatore ed una vasca dove vengono ricreate le stesse condizioni fisiche e chimiche di un corpo idrico paludoso.

Quindi, le acque reflue di scarico urbano, contenenti un alta quantità di rifiuti solidi organici sotto forma di feci e urine, vengono prima di tutto inserite in un reattore che opera a condizioni anaerobiche. I processi di trattamento biologico di questo tipo consistono nella degradazione biologica della frazione organica umana svolta da microorganismi che si sviluppano e riproducono in un ambiente in cui è assente l'ossigeno. L'output che si vuole ottenere da questo processo, è la riduzione di massa della sostanza organica degradabile, con conseguente crescita della popolazione batterica, e l'igienizzazione della risorsa idrica, ottenendo un flusso d'acqua parzialmente stabilizzato. Si è stimato che l'attività biologica anaerobica è attuabile in un intervallo di temperatura compreso tra i -5°C e i +70°C, e in base alla temperatura usata nel processo, si distinguono le varie specie batteriche: psicrofili per temperature fino ai 20°C, mesofili per temperature comprese tra 20°C e i 40°C, e i termofili per temperature superiori, fino a 70°C. I processi biologici che permettono la conversione dei substrati organici complessi in ambiente anaerobico l'idrolisi, l'acidogenesi, l'acetogenesi e infine, la Metanogenesi. Il metano CH4 rappresenta la conclusione della catena trofica anaerobica. Nell'intero processo di digestione considerato, infatti, il metano è l'unico composto non reattivo e estraibile per essere utilizzato in altre situazioni.

Il secondo step è rappresentato da un reattore anossico. In queste condizioni l'ambiente è libero dalla presenza di ossigeno molecolare disciolto, che però risulta essere presente in forma ridotta nei nitrati (NO3). In questo reattore vi è la presenza di batteri denitrificatori, che utilizzano come accettore finale di elettroni l'ossigeno presente nei nitrati, permettendo la degradazione di ulteriore materia organica con la produzione di acqua, ammoniaca e di biogas, quali azoto e anidride carbonica, a discapito di una loro crescita di popolazione batterica. La particolarità vincente di questo reattore è che risulta essere coperto da uno strato di vegetazione, tipica delle paludi, che permette al sistema di mantenere le condizioni anossiche, ovvero la non presenza di ossigeno molecolare nel corpo idrico. Inoltre, la copertura vegetale permette di evitare la diffusione di cattivi odori derivanti dai biogas prodotti dalla degradazione della sostanza organica per il processo di denitrificazione.

La terza fase è costituita dal passaggio attraverso un reattore aerobico coperto. La particolarità di questo sistema è il fatto che l'ossigenazione è controllata, attraverso una copertura superiore formata da uno strato vegetale, e l'immissione costante di bolle d'aria. L'obiettivo di questo reattore è quello di continuare a rimuovere la sostanza organica rimanente e di cominciare a convertire l'azoto presente in forma ammoniacale (NH4 e NH3) in nitrati (NO3), attraverso il fenomeno biologico della nitrificazione. I nitrati prodotti dall'attività biologica di questi particolari batteri risultano essere elementi essenziali per la crescita delle piante. Difatti, la fase che segue questo reattore, dove si inizia a stimolare il processo di nitrificazione, è la successione di tre reattori aerobici aperti. Il primo di questi reattori è quello tra i quali ci sarà più sostanza organica, e quindi dove il processo di nitrificazione è ancora rilevante. I nitrati prodotti dalla nitrificazione vengono utilizzati dal metabolismo vitale delle piante, che crescono, liberando gradualmente l'acqua dai nitrati. Il processo di evapotraspirazione è quel processo biologico, tipico del metabolismo vegetale, che permette alle piante di crescere attraverso l'assunzione di acque ricche di nitrati; i quali serviranno alla piante per creare nuova materia cellulare.

(Uno schema di una possibile configurazione di Living Machine)

Dopo aver passato la fase aerobica, l'acqua viene introdotta in una vasca dove avviene il processo di sedimentazione libera. Questo tipo di sedimentatori riguardano particelle che sedimentano in un mezzo fluido sotto l'azione della sola forza peso. Inoltre, la distanza tra le particelle presenti nel fluido è tale da poter considerare che non vi sia alcuna interazione tra di esse. Un sistema di ricircolo permette di inviare lo spurgo del sedimentatore, formato principalmente da azoto in forma ammoniacale, nel reattore aerobico chiuso (terzo step).

L'ultimo step del processo di Living Machine è rappresentato dai EFBs, ovvero ecological fluidized beds. Sono delle vasche dove viene artificialmente ricreato un ambiente paludoso. Gli straordinari effetti purificanti delle paludi e dei sistemi acquitrinosi sono risaputi. La palude, habitat di una biodiversità vegetale e animale molto variegata, attua come un bio-filtro. Il forte potere evapotraspirante che possiede l'ambiente paludoso permette la rimozione finale del particolato che era riuscito a superare anche la vasca a sedimentazione libera, come per esempio piccole frazioni di metalli pesanti, o particelle inquinanti o tossiche di qualsiasi natura. Gli EFB non sono altro che un sistema paludoso artificiale progettato per poter giovare dello straordinario potere purificante che possiedono questi sistemi naturali.

Per essere totalmente sicuri e poter rendere l'acqua potabile è necessario un ultimo trattamento attraverso un dispositivo UVGI, Ultraviolet germicidal irradiation. Con questo apparecchio è possibile sterilizzare e disinfettare l'acqua in output dagli EFB. Questi tipi di dispositivi, che sfruttano il principio della radiazione ultravioletta germicida, utilizzano raggi UV a basse lunghezze d'onda, che risultano essere dannosi e nocivi per i microorganismi, quali virus, muffe e qualsiasi tipo di organismo patogeno. L'energia Ultravioletta attacca la composizione genetica di questi microorganismi, modificando il loro DNA, o RNA nel caso di virus, eliminando le loro abilità funzionali e riproduttive, rendendoli innocui. Il processo è semplice ma efficace. Si riesce infatti a distruggere il 99,99%degli organismi dannosi senza l'aggiunta di agenti chimici nell'acqua. Dal controllo dell'output tramite sofisticati sistemi di monitoraggio che restituiscono la percentuali delle varie componenti chimiche che sono presenti nell'acqua, è possibile decidere che tipo di uso affidare alla risorsa idrica così ottenuta, se acqua calda sanitaria, o potabile.

Tramite questo processo, completamente ecologico e a impatto zero, è possibile recuperare ingenti quantità di acque reflua avendo molteplici benefici. Attuando come un reale ecosistema, una Living Machine è in grado di far tornare potabile acque di scarico urbane, o, attraverso minori trattamenti, di poterla riutilizzare per la crescita di colture vegetali idroponiche o ancora come acqua calda sanitaria per uso domestico. Questi sistemi, se integrati intelligentemente nei contesti urbani, potrebbero fornire nuovi approcci per la gestione delle acque urbane. I processi di trattamento delle acque reflue urbane potrebbero essere inseriti all'interno delle città stesse dando la possibilità di rivalorizzare le acque di scarico residenziali prodotte in grandi quantità nei centri urbani, con un ulteriore vantaggio di una parallela produzione di cibo attraverso la crescita di specie vegetali. 

(Una piccola Living Machine all'interno di un ufficio per il riutilizzo delle acque di scarico dell'edificio stesso. Queste soluzioni rientrano nella sfera dell' Eco-Design)