Volgens dominee Dennis Hutson waren mensen dol op de smaak van Allensworth's water.

"Vroeger zeiden mensen dingen als:'Wauw, dit is het beste water dat ik ooit heb geproefd!'", zegt Hutson, die een boerderij heeft in de kleine gemeenschap van Central Valley. "Er waren zelfs bezoekers die liters water mee naar huis namen omdat ze dachten dat het zo lekker smaakte."

Nu weten veel inwoners van deze historisch zwarte gemeenschap dat het niet veilig is om water uit de bronnen in hun stad te drinken.

Net als veel andere gebieden in Californië is het grondwater onder Allensworth besmet met gevaarlijke hoeveelheden arseen, een zeer kankerverwekkend element dat door afzettingen in de bodem en gesteente in het grondwater kan sijpelen. Terwijl steden en grotere gemeenten het zich kunnen veroorloven om arseen uit hun water te halen, worden veel mensen in kleine en landelijke gemeenschappen gedwongen te kiezen tussen het drinken van vervuild kraanwater of het kopen van flessenwater - en degenen met privébronnen weten misschien niet eens dat hun water onveilig is .

In samenwerking met Hutson en andere leiders van de Allensworth-gemeenschap testen ingenieurs van de University of California, Berkeley momenteel een eenvoudig en goedkoop nieuw arseenbehandelingssysteem dat is ontworpen om kleine, landelijke gemeenschappen zoals Allensworth toegang te geven tot arseenvrij drinkwater .

Sinds begin juni haalt het systeem - gehuisvest in een kleine grijze schuur op de boerderij van Hutson - grondwater uit de landbouwput van Hutson en verlaagt het het arseengehalte van een extreem giftige 250 delen per miljard (ppb) tot ver onder de door de Environmental Protection Agency (EPA ) limiet van 10 ppb. Als de veldtest succesvol blijft, hoopt het team de financiering te krijgen om een ​​proeffabriek in de Central Valley te lanceren.

"Naar schatting 300.000 mensen in Californië worden blootgesteld aan arseenconcentraties van meer dan 10 ppb in hun drinkwater", zegt onderzoeksteamleider Ashok Gadgil, hoogleraar civiele en milieutechniek aan UC Berkeley en senior faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Voor de eerste keer zullen we grondwater behandelen met een hoog arseengehalte tegen een prijs die de lokale bevolking zich kan veroorloven en op een manier die ze kunnen gebruiken."

Aangezien droogte en extreme hitte als gevolg van klimaatverandering de toevoer van oppervlaktewater in Californië beperken, zullen steeds meer gemeenten vertrouwen op grondwaterbronnen die mogelijk zijn verontreinigd met arseen. meer vervuild. Een betaalbaar arseenbehandelingssysteem kan zorgen voor veilige en duurzame waterbronnen voor plattelandsgemeenschappen, terwijl de uitstoot van broeikasgassen die gepaard gaan met het bottelen en transporteren van water vanaf andere locaties wordt beperkt.

"Veel gemeenschappen waar het grondwater veel arseen bevat, moeten hun toevlucht nemen tot andere oplossingen, zoals water uit een nabijgelegen stad halen... ingenieur in het lab van Gadgil. "Dit project herkadert wat we kunnen gebruiken voor drinkwater."

Voor Hutson zal het creëren van een veilige en betrouwbare drinkwaterbron de sleutel zijn om Allensworth, de eerste stad in Californië die door Afro-Amerikanen is gesticht, te helpen uitgroeien tot een zelfvoorzienende en bloeiende gemeenschap.

"Ik wil Allensworth zien bloeien als een agrarische gemeenschap die zich richt op duurzame, regeneratieve, biologische landbouw," zei Hutson. "We hebben drinkwater nodig om niet alleen te overleven, maar ook om te gedijen."

Bouwen aan een toekomst voor een historische stad

Het zonovergoten Allensworth ligt ongeveer 75 mijl ten noorden van Bakersfield op het voorouderlijk land van de Yokuts. De gemeenschap werd voor het eerst gesticht in 1908 door kolonel Allen Allensworth, een Afro-Amerikaan die aan de slavernij ontsnapte om kapelaan en de hoogste zwarte officier in het Amerikaanse leger te worden.

"Kolonel Allensworth en een groep mensen kwamen en stichtten deze gemeenschap van Allensworth ... met het uitgangspunt zelfbestuur te zijn," zei Hutson. "Ze wilden veiligheid. Ze wilden zelfvoorzienend zijn. En daardoor floreerde deze stad."

In de jaren 1910 groeide de gemeenschap uit tot een bruisende stad van meer dan 200 mensen, met een eigen schooldistrict, een stembureau en een verscheidenheid aan kleine bedrijven. Maar naarmate de eeuw vorderde, leidde een reeks economische tegenslagen - waaronder een gebrek aan voldoende irrigatiewater - tot een langzame achteruitgang. Halverwege de eeuw was de bevolking geslonken tot bijna nul.

Sinds de jaren zeventig hebben gemeenschapsleiders gevochten om de erfenis van Allensworth levend te houden, en de bevolking is langzaam hersteld. Allensworth heeft nu ongeveer 600 mensen, van wie de meerderheid zich identificeert als Latinx en werkzaam is als landarbeider.

Hutson en zijn zwager Kayode Kadara zijn beide lid van de Allensworth Progressive Association (APA), een organisatie die zich inzet voor het verbeteren van de levenskwaliteit van de inwoners van de gemeenschap. Kadara zei dat de APA werkt aan het verbeteren van de waterinfrastructuur en het rioleringssysteem van de stad, het bouwen van extra woningen en het vergroten van de beschikbaarheid van gezond voedsel. Maar toegang tot veilig drinkwater blijft een centrale uitdaging.

"Bijna elke plek in de regio hier, als ze afhankelijk zijn van grondwater voor huishoudelijk gebruik, is arseen een van de belangrijkste verontreinigingen," zei Kadara. "In ons geval hier is dat onze primaire verontreiniging."

Om het leidingwater van Allensworth in overeenstemming te brengen met de EPA-limieten voor arseenverontreiniging, zei Kadara dat het district voor gemeenschapsdiensten water haalt uit twee bronnen die vijf kilometer ten oosten van de stad liggen, waar het arseengehalte veel dichter bij 10 ppb ligt. Door water uit deze twee bronnen te mengen, kan het district het arseengehalte meestal onder de EPA-limiet brengen, maar er komen nog steeds overschrijdingen voor. Omdat de putten in de buurt van graasland liggen, raakt het water ook af en toe besmet met bacteriën en moeten bewoners hun kraanwater koken voordat ze het drinken.

Als gevolg hiervan kiezen veel inwoners ervoor om flessenwater te drinken of naar naburige steden te rijden om kruiken te vullen bij waterkiosken. Dit legt een extra financiële last op gezinnen die al moeite hebben om de eindjes aan elkaar te knopen.

"Er zijn mensen die een kruik van vijf gallon zullen hebben, en ze zullen naar Delano gaan, dat 24 kilometer hier vandaan ligt, om water te kopen," zei Hutson.

De APA werd voor het eerst geïntroduceerd bij Gadgil door Tom Tomich, een Distinguished Professor of Sustainability Science and Policy aan de University of California, Davis, die in 2017 Allensworth bezocht met een groep andere opvoeders en filantropen.

"Mijn zwager, Kayode Kadara [zei]:'Er is één ding dat je voor ons kunt doen:ken jij iemand die arseen uit het water kan halen?'", zei Hutson. "[Dr. Tomich] nam ongeveer een maand, anderhalve maand later contact met ons op, en Dr. Gadgil was aan de telefoon, en we spraken en haalden hem over om naar Allensworth te komen en zijn technologie te gebruiken. We hebben ooit een geweldige relatie gehad sinds."

Van India tot Californië

Al meer dan 15 jaar ontwikkelen Gadgil en zijn team goedkope arseenbehandelingssystemen om plattelandsgemeenschappen van veilig water te voorzien. Sinds 2016 heeft hun eerste zuiveringsinstallatie, op een middelbare school buiten Kolkata, India, betaalbaar en veilig drinkwater geleverd aan 3.000 studenten en leden van de lokale gemeenschap. De fabriek werd gebouwd met subsidie ​​van de Indo-VS. Science and Technology Forum, en in samenwerking met Jadavpur University en een Indiase industriële licentiehouder van Gadgil's technologie. De industriële licentiehouder heeft een tweede zuiveringsinstallatie in India gebouwd en exploiteert deze nu.

"De [technologie] die we hebben ontworpen voor India, in de buurt van Bangladesh, is zeer effectief, maar traag, goedkoop en relatief arbeidsintensief; het is zeer geschikt voor de armen op het Indiase platteland," zei Gadgil. "Daar is de arseenconcentratie in het grondwater 250 delen per miljard, en we brengen het terug naar 3 delen [per miljard], en toch kunnen ze het betalen omdat het hen 0,8 cent per liter kost en ook voor lokale werkgelegenheid zorgt."

Terwijl Oost-India en Bangladesh enkele van de hoogste niveaus van arseen-grondwaterverontreiniging ter wereld hebben, verschijnen er over de hele wereld nog meer hotspots, ook in de VS. Hier kunnen grotere gemeenten een proces gebruiken dat omgekeerde osmose wordt genoemd om arseen en andere verontreinigingen uit grondwater te verwijderen . Dit proces vereist echter zowel een kostbare faciliteit als opgeleid personeel om het te runnen, die beide een belemmering kunnen zijn voor landelijke of arme gemeenschappen.

Als voorbeeld wijst Gadgil op de niet opgenomen gemeenschap van Lanare, 60 mijl ten noordwesten van Allensworth, die in 2007 staats- en overheidsfinanciering gebruikte om een ​​arseenbehandelingsfaciliteit te bouwen. Zes maanden later werd de gemeenschap gedwongen de faciliteit te sluiten omdat het de lopende onderhoudskosten niet kunnen betalen. Uiteindelijk heeft de staat in 2019 $ 4 miljoen extra verstrekt om meer boorputten te boren, zodat de gemeenschap weer veilig drinkwater kan hebben.

"We moeten onze technische kennis en creativiteit gebruiken om oplossingen te vinden die disruptief zijn, die niet dit patroon volgen waarbij de kosten per persoon alleen maar stijgen naarmate je minder mensen hebt," zei Gadgil.

In 2014 verhuisde de huidige postdoctoraal onderzoeker Siva Bandaru van UC Berkeley van India naar Californië om Gadgil te helpen bepalen of de technologie ook zou kunnen helpen om schoon water te leveren aan landelijke gemeenschappen in Central Valley. Uitgerust met een miniatuurversie van het arseenbehandelingssysteem dat op wielen was gemonteerd voor extra draagbaarheid, reisde Bandaru door de staat om het systeem te testen op met arseen besmet Californisch grondwater.

"Overal waar we kwamen, ontdekten we dat deze technologie arseen verwijdert", zei Bandaru, die een Ph.D. in het laboratorium van Gadgil in 2020 voordat hij verder ging als postdoctoraal onderzoeker. "Maar we hebben ook enkele grote uitdagingen geïdentificeerd om de technologie van India naar Californië te brengen."

Ten eerste, omdat het waterverbruik in de VS veel hoger is dan in India, zou de technologie in staat moeten zijn om arseen veel sneller uit het water te verwijderen, zonder prestatieverlies. Ten tweede, om de kosten laag te houden, zou de technologie ook gedurende lange tijd moeten kunnen werken met zeer weinig menselijke tussenkomst.

Kort nadat Bandaru in 2016 als afgestudeerde student bij Gadgil's lab kwam werken, kwam het team met een idee dat beide problemen kon oplossen en het behandelingssysteem mogelijk levensvatbaar zou maken op het platteland van Californië.

Het probleem van groene roest

Gadgil's originele arseenbehandelingstechnologie, genaamd Electrochemical Arsenic Remediation (ECAR), is gebaseerd op dezelfde soorten elektrochemische reacties die een batterij van stroom voorzien. Elke elektrochemische reactor bestaat uit twee stalen platen, een anode en een kathode, die in water zijn ondergedompeld. Door een stroom over deze stalen platen te laten lopen, komen ijzerionen vrij, die reageren met arseen en opgeloste zuurstof om ijzeroxide te vormen - ook bekend als roest - en arseen (V), een geoxideerde vorm van het element dat gemakkelijker uit water te verwijderen is. Het arseen (V) plakt aan de roest en beide kunnen er gemakkelijk uit worden gefilterd.

Het ECAR-systeem in India is goedkoop, zeer effectief en produceert slechts een minimale hoeveelheid afval - ongeveer een derde van een kopje slib per persoon per jaar. Het heeft echter enkele nadelen. Het proces is relatief langzaam en duurt ongeveer 100 minuten om 1.000 liter water te reinigen. En als het systeem continu draait, kunnen onzuiverheden en roest zich ophopen op het oppervlak van elk van de 32 stalen platen van 1 meter bij 1 meter, waardoor de noodzakelijke ijzerionen niet in het water terechtkomen.

"In India hebben we nu een operator die de platen aan het einde van elke dag schoonmaakt", zei Bandaru. "We kunnen het ons in Californië niet veroorloven omdat de arbeidskosten hoog zijn, en we willen dat deze technologie zo goedkoop is dat kleine gemeenschappen met een laag inkomen het zich kunnen veroorloven."

Het team ontdekte dat het laten lopen van hogere stromen door de platen de reactie kan versnellen en de opbouw van onzuiverheden op de elektroden kan voorkomen. Het kan echter ook andere problemen veroorzaken, met name het probleem van groene roest.

Wanneer het aantal ijzerionen in het water het aantal opgeloste zuurstofmoleculen begint te overschrijden, kunnen de ijzerionen samen gaan klonteren om een ​​oxidecomplex te vormen dat groene roest wordt genoemd, dat - in tegenstelling tot oranje roest - de arseenverwijderingsreactie daadwerkelijk kan belemmeren. Omdat nieuwe zuurstofmoleculen alleen in het water kunnen komen door langzaam vanuit de atmosfeer naar binnen te diffunderen, kan het pompen van hogere stromen door het ECAR-systeem snel te veel ijzerionen en groene roest veroorzaken.

Bandaru's doorbraak kwam in de vorm van een technologie die een luchtkathode wordt genoemd. Luchtkathoden halen zuurstof uit de lucht en reduceren het om waterstofperoxide in het water te creëren en af ​​te geven, wat een nog krachtigere rol kan spelen dan opgeloste zuurstof bij de ECAR-arseenverwijderingsreactie. Door een stalen anode te koppelen aan een luchtkathode, wordt elk ijzerion dat door de stalen anode wordt geproduceerd onmiddellijk gekoppeld aan een molecuul waterstofperoxide dat door de luchtkathode wordt geproduceerd. Als gevolg hiervan wordt de reactie niet langer beperkt door de trage diffusiesnelheid van zuurstof.

"Nu vertrouwen we niet langer op de zuurstof die uit de atmosfeer diffundeert", zei Bandaru. "Zelfs als je het systeem met echt hoge stroomdichtheden laat werken, creëer je een gelijk aantal waterstofperoxidemoleculen als ijzerionen, dus je hebt geen problemen met overtollige ijzeraccumulatie."

De nieuwe technologie, die het team Air Cathode Assisted Iron Electrocoagulation (ACAIE) heeft genoemd, kan arseen 5000 keer sneller uit water verwijderen dan ECAR en kan continu worden gebruikt met zeer weinig onderhoud. Om de elektrische veiligheid te garanderen en de apparatuurkosten te beperken, werkt de huidige ACAIE-veldproef in Allensworth slechts 200 keer sneller dan ECAR.

In de zomer van 2019, terwijl het ACAIE-systeem nog in ontwikkeling was, leidde Sara Glade, voormalig afgestudeerde studente van UC Berkeley, de eerste veldproef van de arseenverwijderingstechnologie in Allensworth. Het team bestuurde een miniatuurversie van 100 liter van het ECAR-systeem vanuit een krappe en bloedhete hut op de boerderij van Hutson. Tijdens de laatste week van de proef toonde het team aan dat een aangepaste versie van het ECAR-systeem, dat toegevoegde waterstofperoxide gebruikte om de reactie aan te drijven, ook arseen uit Allensworths water kon verwijderen.

In mei van dit jaar lanceerde het team, na vertragingen veroorzaakt door de COVID-19-pandemie, de volledige veldproef van ACAIE op de boerderij van Hutson met de steun van fondsen van de staat Californië. De onderzoekers werken ook samen met Winston Tseng, professor aan de Berkeley School of Public Health, om outreach-materiaal te ontwikkelen om de gevaren van arseen aan de lokale gemeenschap te communiceren.

"Het is een heel spannend proces om de technologie van het laboratorium naar het veld te brengen en vervolgens met de gemeenschap samen te werken en een relatie met hen op te bouwen," zei Bandaru. "Het werkt heel goed."

Een toekomst voor de watervoorziening van Californië

Het nieuwe arseenwaterbehandelingssysteem bestaat uit vijf ACAIE-reactoren gevolgd door een reeks filtratiestappen om de met arseen beladen roest te verwijderen. Sinds begin juni behandelt het systeem ongeveer 600 liter per uur - of 3 gallons per minuut - water uit Hutson's bron. Elk uur neemt een lid van het team van Gadgil een monster van het behandelde water en brengt het naar een naburige schuur, waar het wordt getest op arseen en andere metingen van de waterkwaliteit.

"Ik denk dat deze technologie echt zou kunnen schitteren in kleine, voornamelijk landelijke gemeenschappen", zei Smesrud. "Zelfs op de schaal waarop het nu gebouwd is, produceert ons zuiveringssysteem genoeg water om drinkwater te leveren aan een stad die ongeveer zo groot is als Allensworth. Maar... het kan worden opgeschaald."

Het water dat eruit komt bevat minder dan 10 ppb arseen en voldoet aan de drinkwaternormen voor troebelheid en helderheid. Omdat het systeem echter nog niet is goedgekeurd door de California Environmental Protection Agency of de California State Water Resources Control Board voor drinkwaterbehandeling, moet al het water dat het systeem behandelt, worden weggegooid.

Bovendien heeft het grondwater uit Hutson's bron een hoog zoutgehalte, dus een extra ontziltingsstap zou nodig zijn om het drinkbaar te maken. Gadgil zei echter dat er duizenden andere bronnen in Californië zijn die goed drinkwater hebben, behalve het arseen, en waar het systeem zou kunnen worden geïmplementeerd zonder deze extra behandelingsstap.

De veldproef heeft geld om tot het einde van het jaar te werken, waarna het team van Gadgil het behandelingssysteem zorgvuldig zal afbreken en het land op de boerderij van Hutson in zijn oorspronkelijke staat zal terugbrengen. De volgende stap in het project is om het systeem bijna volledig geautomatiseerd te maken, met een eenvoudig "aan/uit"-mechanisme en interne automatische procescontrole waarmee het op afstand kan worden gecontroleerd en bediend. In het ideale geval zou zo'n systeem slechts ongeveer twee uur arbeid per week vergen, waardoor de kosten voor het produceren van drinkwater lager zijn dan die van flessenwater, zei Gadgil.

Als een dergelijk systeem werkelijkheid wordt, voorziet Kadara dat het kan worden gebruikt om achtergebleven arseen te verwijderen uit het water dat momenteel wordt opgepompt uit bronnen buiten de gemeenschap, zodat iedereen in Allensworth wordt blootgesteld aan zo min mogelijk arseen, zelfs als het klimaat verandering bedreigt de toekomst van de watervoorziening.

"Terwijl we te maken hebben met droogte, hebben we de watertafels zien dalen - en als je watertafels dalen, heb je een toename van arseen. ... Dus als we een proces hebben waarmee we dat water kunnen gebruiken voor drinkwater en ander drinkwater gebruiken, is het in ons eigen belang om [dat] na te streven", zei Kadara. "We hopen dat dit proces een model wordt voor gemeenschappen zoals de onze hier in de staat en over de hele wereld." + Verder verkennen

Mos dat arseen uit drinkwater kan verwijderen ontdekt