Bringer arsensikkert drikkevand til det landlige Californien

Ifølge pastor Dennis Hutson elskede folk smagen af ​​Allensworths vand.

"Folk plejede at sige ting som:'Wow, det er det bedste vand, jeg nogensinde har smagt!'," sagde Hutson, der ejer en gård i det lille Central Valley-samfund. "Der var endda besøgende, som tog gallon kander vand med hjem, fordi de syntes, det smagte så godt."

Nu ved mange indbyggere i dette historisk sorte samfund, at det ikke er sikkert at drikke vand fra brøndene i deres by.

Ligesom mange områder i hele Californien er grundvandet under Allensworth plettet med farlige niveauer af arsen, et stærkt kræftfremkaldende element, der kan sive ned i grundvandsspejlet fra aflejringer i jorden og grundfjeldet. Mens byer og større kommuner har råd til at fjerne arsen fra deres vand, er mange mennesker, der bor i små og landlige samfund, tvunget til at vælge mellem at drikke forurenet postevand eller købe vand på flaske - og dem med private brønde ved måske ikke engang, at deres vand er usikkert. .

I samarbejde med Hutson og andre ledere i Allensworth-samfundet er ingeniører ved University of California, Berkeley, i gang med at teste et enkelt og billigt nyt arsenbehandlingssystem, der er designet til at hjælpe små, landlige samfund som Allensworth med at få adgang til arsensikkert drikkevand .

Siden begyndelsen af ​​juni har systemet – anbragt i et lille gråt skur på Hutsons gård – trukket grundvand fra Hutsons landbrugsbrønd og reduceret dets arsenniveauer fra ekstremt giftige 250 dele pr. milliard (ppb) til et godt stykke under Environmental Protection Agencys (EPA) ) grænse på 10 ppb. Hvis felttesten fortsætter med at lykkes, håber holdet at få midlerne til at lancere et pilotanlæg i Central Valley.

"Det anslås, at 300.000 mennesker i Californien er udsat for arsenkoncentrationer på mere end 10 ppb i deres drikkevand," siger leder af forskningsteamet Ashok Gadgil, professor i civil- og miljøteknik ved UC Berkeley og seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory. "For første gang vil vi behandle grundvandet med høje niveauer af arsen til en pris, lokalbefolkningen har råd til, og på en måde, de kan fungere."

Efterhånden som tørke og ekstrem varme fra klimaændringer begrænser Californiens forsyning af overfladevand, vil flere og flere kommuner være afhængige af grundvandskilder, der kan være forurenet med arsen - og udtømning af disse øvre grundvandsmagasiner kan kræve, at man når ind i ældre, dybere grundvandsmagasiner, der evt. mere forurenet. Et arsenbehandlingssystem til en overkommelig pris kunne give sikre og bæredygtige kilder til vand for landdistrikter, samtidig med at det begrænser drivhusgasemissionerne, der er involveret i aftapning og transport af vand fra andre steder.

"Mange samfund, hvor grundvandet er højt i arsen, er nødt til at ty til andre løsninger, som at tage vand fra en nærliggende by ... og ikke engang se lokalt vand som en mulighed for drikkevand," sagde Logan Smesrud, en senior forskning og udvikling ingeniør i Gadgils laboratorium. "Dette projekt omformulerer, hvad vi kan bruge til drikkevand."

For Hutson vil skabelsen af ​​en sikker og pålidelig drikkevandskilde være nøglen til at hjælpe Allensworth – den første by i Californien, der blev etableret af afroamerikanere – med at vokse til et selvforsynende og blomstrende samfund.

"Jeg ønsker at se Allensworth trives som et landbrugssamfund med fokus på bæredygtigt, regenerativt, økologisk landbrug," sagde Hutson. "Vi har brug for drikkevand for ikke kun at overleve, men trives."

Bygger en fremtid for en historisk by

Solbagte Allensworth ligger omkring 45 miles nord for Bakersfield på Yokuternes forfædres land. Samfundet blev først grundlagt i 1908 af oberst Allen Allensworth, en afroamerikaner, der undslap slaveri for at blive præst og den højest rangerende sorte officer i den amerikanske hær.

"Oberst Allensworth og en gruppe mennesker kom og grundlagde dette samfund i Allensworth ... med den forudsætning at være selvstyret," sagde Hutson. "De ville have sikkerhed. De ville være selvforsynende. Og denne by trivedes som et resultat."

I løbet af 1910'erne voksede samfundet til en travl by med mere end 200 mennesker med sit eget skoledistrikt, afstemningssted og en række små virksomheder. Men som århundredet skred frem, førte en række økonomiske tilbageslag – inklusive mangel på tilstrækkeligt kunstvandingsvand – til dets langsomme tilbagegang. Ved midten af ​​århundredet var befolkningen faldet til næsten nul.

Siden 1970'erne har samfundsledere kæmpet for at holde arven fra Allensworth i live, og befolkningen er langsomt vendt tilbage. Allensworth er nu hjemsted for omkring 600 mennesker, hvoraf størstedelen identificerer sig som Latinx og er ansat som landarbejdere.

Hutson og hans svoger Kayode Kadara er begge medlemmer af Allensworth Progressive Association (APA), en organisation dedikeret til at forbedre livskvaliteten for beboere i samfundet. Kadara sagde, at APA arbejder på at forbedre byens vandinfrastruktur og kloaksystem, bygge yderligere boliger og øge tilgængeligheden af ​​sund mad. Men adgang til rent drikkevand er fortsat en central udfordring.

"Næsten ethvert sted, du går i regionen her, hvis de er afhængige af grundvand til husholdningsbrug, er arsen en af ​​de største forurenende stoffer," sagde Kadara. "I vores tilfælde her, er det vores primære forurening."

For at bringe Allensworths postevand i overensstemmelse med EPA's grænser for arsenkontamination, sagde Kadara, at samfundsservicedistriktet trækker vand fra to brønde placeret tre miles øst for byen, hvor arsenniveauerne er meget tættere på 10 ppb. Ved at blande vand fra disse to kilder kan distriktet normalt bringe arsenniveauerne under EPA-grænsen - men overskridelser forekommer stadig. Fordi brøndene er placeret i nærheden af ​​græsningsarealer, bliver vandet også lejlighedsvis forurenet med bakterier, og beboerne er forpligtet til at koge deres postevand, før de drikker det.

Som følge heraf vælger mange beboere at drikke vand på flaske eller køre til nabobyerne for at fylde kander op ved vandkiosker. Dette lægger en ekstra økonomisk byrde på familier, der allerede kæmper for at få enderne til at mødes.

"Der er folk, der vil have en fem-gallon kande, og de vil tage til Delano, som er 15 miles væk herfra, for at købe vand," sagde Hutson.

APA blev først introduceret til Gadgil af Tom Tomich, en fremtrædende professor i bæredygtighedsvidenskab og -politik ved University of California, Davis, som besøgte Allensworth sammen med en gruppe andre undervisere og filantroper i 2017.

"Min svoger, Kayode Kadara [sagde], 'Der er én ting, du kan gøre for os - kender du nogen, der kan få arsen op af vandet?'" sagde Hutson. "[Dr. Tomich] kontaktede os omkring en måned, halvanden måned senere, og Dr. Gadgil var i telefonen, og vi talte og overtalte ham til at komme til Allensworth og bruge hans teknologi. Vi har haft et vidunderligt forhold nogensinde siden."

Fra Indien til Californien

I mere end 15 år har Gadgil og hans team udviklet billige arsenbehandlingssystemer for at give sikkert vand til landdistrikterne. Siden 2016 har deres første rensningsanlæg, på et gymnasium uden for Kolkata, Indien, leveret rimeligt, sikkert drikkevand til 3.000 studerende og medlemmer af lokalsamfundet. Anlægget blev bygget med tilskud fra Indo-U.S. Science and Technology Forum, og i samarbejde med Jadavpur University og en indisk industriel licenstager af Gadgils teknologi. Den industrielle licenstager har bygget og driver nu et andet rensningsanlæg i Indien.

"Teknologien, som vi har designet til Indien, nær Bangladesh, er yderst effektiv, men langsom, billig og relativt arbejdskrævende; den er velegnet til de indiske fattige på landet," sagde Gadgil. "Der er arsenkoncentrationen i grundvandet 250 ppm, og vi bringer den ned til 3 ppm, og stadig har de råd til det, fordi det koster dem 0,8 cent pr. liter og giver også lokal beskæftigelse."

Mens det østlige Indien og Bangladesh har nogle af de højeste niveauer af arsen grundvandsforurening i verden, opstår der yderligere hot spots over hele kloden, inklusive i USA. Her kan større kommuner bruge en proces kaldet omvendt osmose til at fjerne arsen og andre forurenende stoffer fra grundvandet . Denne proces kræver dog både et dyrt anlæg og uddannet personale til at drive det, hvilket begge kan være en hindring for landdistrikterne eller fattige samfund.

Som et eksempel peger Gadgil på det ikke-inkorporerede samfund Lanare, 60 miles nordvest for Allensworth, som brugte stats- og regeringsmidler til at bygge et arsenikbehandlingsanlæg i 2007. Seks måneder senere blev samfundet tvunget til at lukke anlægget ned, fordi det kunne ikke råd til de løbende vedligeholdelsesomkostninger. Endelig i 2019 gav staten yderligere 4 millioner dollars til at bore flere borebrønde, så samfundet kunne få sikkert drikkevand igen.

"Vi er nødt til at anvende vores ingeniørviden og kreativitet for at finde løsninger, der er forstyrrende, som ikke følger dette mønster, hvor omkostningerne pr. person bare bliver ved med at stige, jo færre mennesker du har," sagde Gadgil.

I 2014, efter at have brugt to år på at teste arsenbehandlingssystemet i Indien, flyttede den nuværende UC Berkeley postdoc-forsker Siva Bandaru fra Indien til Californien for at hjælpe Gadgil med at afgøre, om teknologien også kunne hjælpe med at give rent vand til landlige Central Valley-samfund. Udstyret med en miniatureversion af arsenbehandlingssystemet, der var monteret på hjul for øget bærbarhed, rejste Bandaru rundt i staten for at teste systemet på arsen-plettet californisk grundvand.

"Overalt hvor vi gik, fandt vi ud af, at denne teknologi fjerner arsen," sagde Bandaru, som afsluttede en Ph.D. i Gadgils laboratorium i 2020, inden han fortsatte som postdoc. "Men vi identificerede også nogle store udfordringer med at bringe teknologien fra Indien til Californien."

For det første, fordi vandforbruget i USA er meget højere end i Indien, ville teknologien skulle være i stand til at fjerne arsen fra vand i en meget hurtigere hastighed uden tab af ydeevne. For det andet, for at holde omkostningerne lave, skal teknologien også være i stand til at fungere i lange perioder med meget lidt menneskelig indgriben.

Kort efter Bandaru kom til Gadgils laboratorium som kandidatstuderende i 2016, kom teamet med en idé, der kunne løse begge disse problemer og potentielt gøre behandlingssystemet levedygtigt i det landlige Californien.

Problemet med grøn rust

Gadgils originale arsenbehandlingsteknologi, kaldet Electrochemical Arsenic Remediation (ECAR), er baseret på de samme typer elektrokemiske reaktioner, som driver et batteri. Hver elektrokemisk reaktor består af to stålplader, en anode og en katode, som er nedsænket i vand. At køre en strøm på tværs af disse stålplader frigør jernioner, som reagerer med arsen og opløst oxygen for at danne jernoxid - også kendt som rust - og arsen (V), en oxideret form af grundstoffet, der er lettere at fjerne fra vandet. Arsenet (V) klæber til rusten, og begge dele kan nemt filtreres fra.

ECAR-systemet, der kører i Indien, er billigt, yderst effektivt og producerer kun en minimal mængde affald - omkring en tredjedel af en kop slam per person om året. Det har dog nogle ulemper. Processen er relativt langsom og tager cirka 100 minutter at rense 1.000 liter vand. Og når systemet kører kontinuerligt, kan urenheder og rust samle sig på overfladen af ​​hver af de 32, 1 meter x 1 meter stålplader, hvilket forhindrer de nødvendige jernioner i at trænge ind i vandet.

"I Indien lige nu har vi en operatør, der renser pladerne ved slutningen af ​​hver dag," sagde Bandaru. "Vi har ikke råd til at have det i Californien, fordi lønomkostningerne er høje, og vi ønsker, at denne teknologi skal være så billig, at små lavindkomstsamfund har råd til det."

Holdet fandt ud af, at at køre højere strømme gennem pladerne kan fremskynde reaktionen og forhindre opbygning af urenheder på elektroderne. Det kan dog også udløse andre problemer - især problemet med grøn rust.

Når antallet af jernioner i vandet begynder at overstige antallet af opløste iltmolekyler, kan jernionerne begynde at klumpe sig sammen og danne et oxidkompleks kaldet grøn rust, som – i modsætning til orange rust – faktisk kan hindre reaktionen til fjernelse af arsen. Fordi nye iltmolekyler kun kan komme ind i vandet ved langsomt at diffundere ind fra atmosfæren, kan pumpning af højere strømme gennem ECAR-systemet hurtigt skabe for mange jernioner og grøn rust.

Bandarus gennembrud kom i form af en teknologi kaldet en luftkatode. Luftkatoder fanger ilt fra luften og reducerer det for at skabe og frigive brintoverilte i vandet, som kan tjene en endnu stærkere rolle, end opløst ilt gør i ECAR-arsenfjernelsesreaktionen. Ved at parre en stålanode med en luftkatode, matches hver jernion, der produceres af stålanoden, øjeblikkeligt med et molekyle af hydrogenperoxid produceret af luftkatoden. Som et resultat er reaktionen ikke længere begrænset af den langsomme diffusionshastighed af oxygen.

"Nu er vi ikke længere afhængige af ilten, der diffunderer fra atmosfæren," sagde Bandaru. "Selv hvis du betjener systemet ved virkelig høje strømtætheder, skaber du lige mange brintoveriltemolekyler som jernioner, så du har ingen problemer med at akkumulere overskydende jern."

Den nye teknologi, som holdet kaldte Air Cathode Assisted Iron Electrocoagulation (ACAIE), kan fjerne arsen fra vand 5.000 gange hurtigere end ECAR og kan betjenes kontinuerligt med meget lidt vedligeholdelse. For at sikre elektrisk sikkerhed og begrænse udstyrsomkostningerne kører det aktuelle ACAIE-feltforsøg i Allensworth kun 200 gange hurtigere end ECAR.

I løbet af sommeren 2019, mens ACAIE-systemet stadig var under udvikling, ledede den tidligere UC Berkeley-kandidatstuderende Sara Glade det første feltforsøg med teknologien til fjernelse af arsen i Allensworth. Holdet drev en miniature, 100-liters version af ECAR-systemet ud af en trang og kvælende hytte på Hutsons gård. I løbet af den sidste uge af forsøget viste holdet, at en modificeret version af ECAR-systemet, som brugte tilsat hydrogenperoxid til at drive reaktionen, også kunne fjerne arsen fra Allensworths vand.

I maj i år, efter forsinkelser forårsaget af COVID-19-pandemien, lancerede holdet det fulde feltforsøg med ACAIE på Hutsons farm med støtte fra midler fra staten Californien. Forskerne samarbejder også med professor Winston Tseng ved UC Berkeley School of Public Health om at udvikle opsøgende materialer til at kommunikere farerne ved arsen til lokalsamfundet.

"Det er en virkelig spændende proces, at bringe teknologien fra laboratoriet til marken og derefter arbejde med samfundet og udvikle et forhold til dem," sagde Bandaru. "Det fungerer rigtig godt."

En fremtid for Californiens vandforsyning

Det nye arsenikvandbehandlingssystem består af fem ACAIE-reaktorer efterfulgt af en række filtreringstrin for at fjerne den arsenholdige rust. Siden begyndelsen af ​​juni har systemet behandlet cirka 600 liter vand i timen - eller 3 gallons i minuttet - fra Hutsons brønd. Hver time indsamler et medlem af Gadgils team en prøve af det behandlede vand og tager det med til et naboskur, hvor det testes for arsen og andre mål for vandkvaliteten.

"Jeg tror, ​​at små, for det meste landlige samfund er, hvor denne teknologi virkelig kunne skinne," sagde Smesrud. "Selv i den skala, som det er bygget lige nu, producerer vores behandlingssystem nok vand til at levere drikkevand til en by, der er omtrent på størrelse med Allensworth. Men … det kan skaleres op."

Vandet, der kommer ud, indeholder mindre end 10 ppb arsen og opfylder drikkevandsstandarderne for turbiditet og klarhed. Men fordi systemet endnu ikke er godkendt af California Environmental Protection Agency eller California State Water Resources Control Board til behandling af drikkevand, skal alt det vand, som systemet behandler, kasseres.

Derudover har grundvandet fra Hutsons brønd et højt saltindhold, så et yderligere afsaltningstrin ville være nødvendigt for at gøre det drikkeligt. Gadgil sagde dog, at der er tusindvis af andre brønde i Californien, der har godt drikkevand, bortset fra arsen, og hvor systemet kunne implementeres uden dette yderligere behandlingstrin.

Feltforsøget har midler til at fungere til udgangen af ​​året, hvorefter Gadgils team omhyggeligt vil dekonstruere behandlingssystemet og bringe jorden på Hutsons gård tilbage til dens oprindelige tilstand. Næste trin i projektet bliver at gøre systemet næsten fuldautomatisk, med en nem "tænd/sluk"-mekanisme og intern automatisk processtyring, der gør det muligt at overvåge og fjernbetjene det. Ideelt set ville et sådant system kun kræve omkring to timers arbejde om ugen, hvilket bringer omkostningerne ved at producere drikkevand ned under flaskevand, sagde Gadgil.

Hvis et sådant system bliver en realitet, forestiller Kadara sig, at det kan bruges til at fjerne resterende arsen fra det vand, der i øjeblikket pumpes ind fra brønde uden for samfundet, og sikre, at alle i Allensworth udsættes for så lidt arsen som muligt, selv som klima forandring truer fremtiden for vandforsyningen.

"Når vi beskæftiger os med tørke, har vi set vandstanden falde - og når du har faldende vandspejle, har du stigninger i arsenik ... Så hvis vi har en proces, der giver os mulighed for at bruge det vand til drikkevand og andet drikkevand bruge, er det i vores bedste interesse at forfølge [det]," sagde Kadara. "Vi håber, at denne proces ender med at blive en model for samfund som vores her i staten og i hele verden." + Udforsk yderligere

Der er opdaget mos, der er i stand til at fjerne arsen fra drikkevand