Secondo il reverendo Dennis Hutson, la gente amava il sapore dell'acqua di Allensworth.

"La gente diceva cose come 'Wow, questa è l'acqua migliore che abbia mai assaggiato!'", ha detto Hutson, che possiede una fattoria nella piccola comunità della Central Valley. "Ci sono stati anche visitatori che hanno portato a casa brocche d'acqua da galloni perché pensavano che fosse così buono."

Ora, molti residenti di questa comunità storicamente nera sanno che non è sicuro bere l'acqua dai pozzi della loro città.

Come molte aree della California, le falde acquifere sotto Allensworth sono contaminate da livelli pericolosi di arsenico, un elemento altamente cancerogeno che può penetrare nella falda freatica dai depositi nel suolo e nel substrato roccioso. Mentre le città e i comuni più grandi possono permettersi di rimuovere l'arsenico dall'acqua, molte persone che vivono in comunità piccole e rurali sono costrette a scegliere tra bere acqua di rubinetto contaminata o acquistare acqua in bottiglia e coloro che hanno pozzi privati ​​potrebbero non sapere nemmeno che la loro acqua non è sicura .

In collaborazione con Hutson e altri leader della comunità di Allensworth, gli ingegneri dell'Università della California, Berkeley, stanno attualmente testando sul campo un nuovo sistema di trattamento dell'arsenico semplice ed economico progettato per aiutare le piccole comunità rurali come Allensworth ad accedere ad acqua potabile sicura per l'arsenico .

Dall'inizio di giugno, il sistema, ospitato all'interno di un piccolo capannone grigio nella fattoria di Hutson, ha prelevato acque sotterranee dal pozzo agricolo di Hutson e ha ridotto i suoi livelli di arsenico da 250 parti per miliardo (ppb) estremamente tossici a ben al di sotto dell'Agenzia per la protezione ambientale (EPA). ) limite di 10 ppb. Se il test sul campo continua ad avere successo, il team spera di ottenere il finanziamento per lanciare un impianto pilota nella Central Valley.

"Si stima che circa 300.000 persone in California siano esposte a concentrazioni di arsenico superiori a 10 ppb nella loro acqua potabile", ha affermato il leader del team di ricerca Ashok Gadgil, professore di ingegneria civile e ambientale presso la UC Berkeley e scienziato senior della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. "Per la prima volta, tratteremo le acque sotterranee con alti livelli di arsenico a un prezzo che le persone locali possono permettersi e in un modo che possano operare."

Poiché la siccità e il caldo estremo causato dai cambiamenti climatici limitano la fornitura di acqua superficiale della California, sempre più comuni faranno affidamento su fonti di acqua sotterranea che potrebbero essere contaminate da arsenico e l'esaurimento di queste falde acquifere sotterranee superiori potrebbe richiedere il raggiungimento di falde acquifere più vecchie e più profonde che potrebbero essere più contaminato. Un sistema di trattamento dell'arsenico a prezzi accessibili potrebbe fornire fonti d'acqua sicure e sostenibili per le comunità rurali, limitando al contempo le emissioni di gas serra legate all'imbottigliamento e al trasporto dell'acqua da altri luoghi.

"Molte comunità in cui le acque sotterranee sono ricche di arsenico devono ricorrere ad altre soluzioni, come prelevare l'acqua da una città vicina... e non vedere nemmeno l'acqua locale come un'opzione per l'acqua potabile", ha affermato Logan Smesrud, ricercatore e sviluppo senior ingegnere nel laboratorio di Gadgil. "Questo progetto sta riformulando ciò che possiamo utilizzare per l'acqua potabile."

Per Hutson, la creazione di una fonte di acqua potabile sicura e affidabile sarà la chiave per aiutare Allensworth, la prima città della California fondata da afroamericani, a diventare una comunità autosufficiente e fiorente.

"Voglio vedere Allensworth prosperare come una comunità agricola focalizzata sull'agricoltura biologica sostenibile, rigenerativa", ha detto Hutson. "Abbiamo bisogno di acqua potabile non solo per sopravvivere, ma anche per prosperare."

Costruire un futuro per una città storica

Allensworth cotto dal sole si trova a circa 45 miglia a nord di Bakersfield, nelle terre ancestrali degli Yokuts. La comunità fu fondata per la prima volta nel 1908 dal colonnello Allen Allensworth, un afroamericano sfuggito alla schiavitù per diventare cappellano e ufficiale nero di grado più alto nell'esercito degli Stati Uniti.

"Il colonnello Allensworth e un gruppo di persone sono venuti e hanno fondato questa comunità di Allensworth ... con la premessa di essere autogovernati", ha detto Hutson. "Volevano sicurezza. Volevano essere autosufficienti. E di conseguenza questa città prosperò."

Durante gli anni '10, la comunità crebbe fino a diventare una vivace cittadina di oltre 200 persone, con un proprio distretto scolastico, un distretto elettorale e una varietà di piccole imprese. Ma con il passare del secolo, una serie di battute d'arresto economiche, inclusa la mancanza di acqua per l'irrigazione sufficiente, portò al suo lento declino. Entro la metà del secolo, la popolazione si era ridotta quasi a zero.

Dagli anni '70, i leader della comunità si sono battuti per mantenere viva l'eredità di Allensworth e la popolazione si è lentamente ripresa. Allensworth ora ospita circa 600 persone, la maggior parte delle quali si identifica come Latinx e sono impiegate come braccianti agricoli.

Hutson e suo cognato Kayode Kadara sono entrambi membri dell'Allensworth Progressive Association (APA), un'organizzazione dedicata al miglioramento della qualità della vita dei residenti della comunità. Kadara ha affermato che l'APA sta lavorando per migliorare le infrastrutture idriche e il sistema fognario della città, costruire alloggi aggiuntivi e aumentare la disponibilità di cibo sano. Ma l'accesso all'acqua potabile rimane una sfida centrale.

"Quasi ovunque tu vada nella regione qui, se fanno affidamento sulle acque sotterranee per uso domestico, l'arsenico è uno dei principali contaminanti", ha detto Kadara. "Nel nostro caso, questo è il nostro contaminante principale."

Per rendere l'acqua del rubinetto di Allensworth conforme ai limiti dell'EPA sulla contaminazione da arsenico, Kadara ha affermato che il distretto dei servizi alla comunità attinge acqua da due pozzi situati a tre miglia a est della città, dove i livelli di arsenico sono molto più vicini a 10 ppb. Miscelando l'acqua di queste due fonti, il distretto può solitamente portare i livelli di arsenico al di sotto del limite dell'EPA, ma si verificano ancora dei superamenti. Poiché i pozzi si trovano vicino ai pascoli, anche l'acqua viene occasionalmente contaminata da batteri e i residenti sono tenuti a far bollire l'acqua del rubinetto prima di berla.

Di conseguenza, molti residenti scelgono di bere acqua in bottiglia o di guidare verso le città vicine per riempire le brocche nei chioschi d'acqua. Ciò comporta un onere finanziario aggiuntivo per le famiglie che stanno già lottando per sbarcare il lunario.

"Ci sono persone che avranno una brocca da cinque galloni e andranno a Delano, che è a 15 miglia da qui, per comprare l'acqua", ha detto Hutson.

L'APA è stato presentato per la prima volta a Gadgil da Tom Tomich, un distinto professore di scienze e politiche della sostenibilità presso l'Università della California, Davis, che ha visitato Allensworth con un gruppo di altri educatori e filantropi nel 2017.

"Mio cognato, Kayode Kadara [ha detto], 'C'è una cosa che puoi fare per noi:conosci qualcuno che può estrarre l'arsenico dall'acqua?'", Ha detto Hutson. "[Il dottor Tomich] ci ha contattato circa un mese, un mese e mezzo dopo, e il dottor Gadgil era al telefono, abbiamo parlato e lo abbiamo convinto a venire ad Allensworth e ad utilizzare la sua tecnologia. Abbiamo sempre avuto una relazione meravigliosa da allora."

Dall'India alla California

Da oltre 15 anni, Gadgil e il suo team hanno sviluppato sistemi di trattamento dell'arsenico a basso costo per fornire acqua sicura alle comunità rurali. Dal 2016, il loro primo impianto di trattamento, in una scuola superiore fuori Calcutta, in India, ha fornito acqua potabile sicura e conveniente a 3.000 studenti e membri della comunità locale. L'impianto è stato costruito con un finanziamento a fondo perduto dell'Indo-U.S. Science and Technology Forum e in collaborazione con la Jadavpur University e un licenziatario industriale indiano della tecnologia di Gadgil. Il licenziatario industriale ha costruito e gestisce ora un secondo impianto di trattamento in India.

"La [tecnologia] che abbiamo progettato per l'India, vicino al Bangladesh, è altamente efficace, ma lenta, a basso costo e relativamente ad alta intensità di manodopera; è adatta per i poveri delle zone rurali indiane", ha affermato Gadgil. "Là, la concentrazione di arsenico nelle acque sotterranee è di 250 parti per miliardo e la portiamo a 3 parti [per miliardo], e ancora possono permetterselo perché costa loro 0,8 centesimi al litro e fornisce anche occupazione locale". /P>

Mentre l'India orientale e il Bangladesh hanno alcuni dei più alti livelli di contaminazione delle acque sotterranee da arsenico nel mondo, altri punti caldi compaiono in tutto il mondo, compresi gli Stati Uniti. Qui, i comuni più grandi possono utilizzare un processo chiamato osmosi inversa per rimuovere l'arsenico e altri contaminanti dalle acque sotterranee . Tuttavia, questo processo richiede sia una struttura costosa che personale qualificato per gestirlo, entrambi fattori che possono essere un ostacolo per le comunità rurali o povere.

Ad esempio, Gadgil indica la comunità priva di personalità giuridica di Lanare, 60 miglia a nord-ovest di Allensworth, che ha utilizzato finanziamenti statali e governativi per costruire una struttura per il trattamento dell'arsenico nel 2007. Sei mesi dopo, la comunità è stata costretta a chiudere la struttura perché poteva non permettersi i costi di manutenzione in corso. Infine, nel 2019, lo stato ha fornito ulteriori 4 milioni di dollari per trivellare più pozzi in modo che la comunità potesse di nuovo avere acqua potabile sicura.

"Dobbiamo applicare le nostre conoscenze ingegneristiche e la nostra creatività per trovare soluzioni che siano dirompenti, che non seguano questo schema in cui i costi per persona continuano ad aumentare con il minor numero di persone che hai", ha affermato Gadgil.

Nel 2014, dopo aver trascorso due anni a testare sul campo il sistema di trattamento dell'arsenico in India, l'attuale ricercatrice post-dottorato della UC Berkeley Siva Bandaru si è trasferita dall'India alla California per aiutare Gadgil a determinare se la tecnologia potrebbe anche aiutare a fornire acqua pulita alle comunità rurali della Central Valley. Dotato di una versione in miniatura del sistema di trattamento dell'arsenico montato su ruote per una maggiore portabilità, Bandaru ha viaggiato per lo stato per testare il sistema su acque sotterranee della California contaminate da arsenico.

"Ovunque siamo andati, abbiamo scoperto che questa tecnologia rimuove l'arsenico", ha affermato Bandaru, che ha completato un dottorato di ricerca. nel laboratorio di Gadgil nel 2020 prima di continuare come ricercatore post-dottorato. "Ma abbiamo anche identificato alcune sfide importanti nel portare la tecnologia dall'India alla California."

In primo luogo, poiché il consumo di acqua negli Stati Uniti è molto più elevato che in India, la tecnologia dovrebbe essere in grado di rimuovere l'arsenico dall'acqua a una velocità molto più rapida, senza alcuna perdita di prestazioni. In secondo luogo, per mantenere bassi i costi, la tecnologia dovrebbe anche essere in grado di funzionare per lunghi periodi di tempo con un intervento umano minimo.

Subito dopo che Bandaru è entrata a far parte del laboratorio di Gadgil come studente laureato nel 2016, il team ha avuto un'idea che potrebbe risolvere entrambi questi problemi e rendere potenzialmente praticabile il sistema di trattamento nelle zone rurali della California.

Il problema della ruggine verde

La tecnologia di trattamento dell'arsenico originale di Gadgil, chiamata Electrochemical Arsenic Remediation (ECAR), si basa sugli stessi tipi di reazioni elettrochimiche che alimentano una batteria. Ogni reattore elettrochimico è costituito da due piastre di acciaio, un anodo e un catodo, che sono immerse in acqua. L'esecuzione di una corrente attraverso queste piastre di acciaio libera gli ioni di ferro, che reagiscono con l'arsenico e l'ossigeno disciolto per formare ossido di ferro, noto anche come ruggine, e arsenico (V), una forma ossidata dell'elemento che è più facile da rimuovere dall'acqua. L'arsenico (V) si attacca alla ruggine ed entrambi possono essere facilmente filtrati.

Il sistema ECAR in esecuzione in India è poco costoso, altamente efficace e produce solo una quantità minima di rifiuti, circa un terzo di una tazza di fango per persona all'anno. Tuttavia, presenta alcuni inconvenienti. Il processo è relativamente lento e impiega circa 100 minuti per pulire 1.000 litri di acqua. E durante il funzionamento continuo del sistema, impurità e ruggine possono accumularsi sulla superficie di ciascuna delle 32 piastre di acciaio da 1 metro per 1 metro, impedendo agli ioni di ferro necessari di entrare nell'acqua.

"In India in questo momento, abbiamo un operatore che pulisce le lastre alla fine di ogni giornata", ha detto Bandaru. "Non possiamo permetterci di averlo in California perché il costo del lavoro è elevato e vogliamo che questa tecnologia sia così economica che le piccole comunità a basso reddito possano permettersela".

Il team ha scoperto che l'esecuzione di correnti più elevate attraverso le piastre può accelerare la reazione e prevenire l'accumulo di impurità sugli elettrodi. Tuttavia, può anche innescare altri problemi, in particolare il problema della ruggine verde.

Quando il numero di ioni di ferro nell'acqua inizia a superare il numero di molecole di ossigeno disciolte, gli ioni di ferro possono iniziare ad aggregarsi per formare un complesso di ossido chiamato ruggine verde, che, a differenza della ruggine arancione, può effettivamente ostacolare la reazione di rimozione dell'arsenico. Poiché le nuove molecole di ossigeno possono entrare nell'acqua solo diffondendosi lentamente dall'atmosfera, il pompaggio di correnti più elevate attraverso il sistema ECAR può creare rapidamente troppi ioni ferro e ruggine verde.

La svolta di Bandaru è arrivata sotto forma di una tecnologia chiamata catodo ad aria. I catodi d'aria catturano l'ossigeno dall'aria e lo riducono per creare e rilasciare perossido di idrogeno nell'acqua, che può svolgere un ruolo ancora più potente dell'ossigeno disciolto nella reazione di rimozione dell'arsenico ECAR. Accoppiando un anodo in acciaio con un catodo ad aria, ogni ione ferro prodotto dall'anodo in acciaio viene istantaneamente abbinato a una molecola di perossido di idrogeno prodotta dal catodo ad aria. Di conseguenza, la reazione non è più limitata dalla velocità di diffusione lenta dell'ossigeno.

"Ora, non ci affidiamo più all'ossigeno che si diffonde dall'atmosfera", ha detto Bandaru. "Anche se fai funzionare il sistema a densità di corrente molto elevate, crei un numero uguale di molecole di perossido di idrogeno come ioni ferro, quindi non hai problemi con l'accumulo di ferro in eccesso."

La nuova tecnologia, che il team ha chiamato Air Cathode Assisted Iron Electrocoagulation (ACAIE), può rimuovere l'arsenico dall'acqua 5.000 volte più velocemente dell'ECAR e può essere utilizzata continuamente con pochissima manutenzione. Per garantire la sicurezza elettrica e limitare i costi delle apparecchiature, l'attuale prova sul campo ACAIE ad Allensworth sta funzionando solo 200 volte più velocemente di ECAR.

Durante l'estate del 2019, mentre il sistema ACAIE era ancora in fase di sviluppo, l'ex studentessa laureata dell'UC Berkeley Sara Glade ha condotto la prima prova sul campo della tecnologia di rimozione dell'arsenico ad Allensworth. Il team ha utilizzato una versione in miniatura da 100 litri del sistema ECAR da una baracca angusta e soffocante nella fattoria di Hutson. Durante l'ultima settimana della prova, il team ha dimostrato che una versione modificata del sistema ECAR, che utilizzava perossido di idrogeno aggiunto per guidare la reazione, poteva anche rimuovere l'arsenico dall'acqua di Allensworth.

Nel maggio di quest'anno, dopo i ritardi causati dalla pandemia di COVID-19, il team ha avviato la sperimentazione sul campo completa di ACAIE nella fattoria di Hutson con il sostegno dei fondi dello stato della California. I ricercatori stanno anche collaborando con il professore della UC Berkeley School of Public Health Winston Tseng per sviluppare materiali di sensibilizzazione per comunicare i pericoli dell'arsenico alla comunità locale.

"È un processo davvero entusiasmante, portare la tecnologia dal laboratorio al campo e poi lavorare con la comunità e sviluppare una relazione con loro", ha detto Bandaru. "Funziona molto bene."

Un futuro per l'approvvigionamento idrico della California

Il nuovo sistema di trattamento dell'acqua con arsenico è costituito da cinque reattori ACAIE seguiti da una serie di fasi di filtrazione per rimuovere la ruggine carica di arsenico. Dall'inizio di giugno, il sistema ha trattato circa 600 litri all'ora, o 3 galloni al minuto, di acqua dal pozzo di Hutson. Ogni ora, un membro del team di Gadgil raccoglie un campione dell'acqua trattata e lo porta in un capannone vicino, dove viene testato per l'arsenico e altre misure di qualità dell'acqua.

"Penso che le piccole comunità, per lo più rurali, siano il luogo in cui questa tecnologia potrebbe davvero brillare", ha detto Smesrud. "Anche nella scala in cui è costruito in questo momento, il nostro sistema di trattamento sta producendo acqua a sufficienza per fornire acqua potabile per una città delle dimensioni di Allensworth. Ma... può essere ampliata."

L'acqua che emerge contiene meno di 10 ppb di arsenico e soddisfa gli standard dell'acqua potabile per torbidità e limpidezza. Tuttavia, poiché il sistema non è ancora approvato dalla California Environmental Protection Agency o dal California State Water Resources Control Board per il trattamento dell'acqua potabile, tutta l'acqua trattata dal sistema deve essere eliminata.

Inoltre, l'acqua sotterranea del pozzo di Hutson ha un alto contenuto di sale, quindi sarebbe necessario un ulteriore passaggio di desalinizzazione per renderla potabile. Tuttavia, Gadgil ha affermato che ci sono migliaia di altri pozzi in California che hanno una buona acqua potabile, ad eccezione dell'arsenico, e dove il sistema potrebbe essere implementato senza questa fase di trattamento aggiuntiva.

La prova sul campo ha finanziamenti per funzionare fino alla fine dell'anno, dopodiché il team di Gadgil decostruirà con cura il sistema di trattamento e riporterà il terreno nella fattoria di Hutson al suo stato originale. Il prossimo passo del progetto sarà rendere il sistema quasi completamente automatizzato, con un facile meccanismo di "accensione/spegnimento" e un controllo interno automatico del processo che ne consentirà il monitoraggio e il funzionamento da remoto. Idealmente, un tale sistema richiederebbe solo circa due ore di lavoro a settimana, portando il costo di produzione dell'acqua potabile al di sotto di quello dell'acqua in bottiglia, ha affermato Gadgil.

Se un tale sistema diventa una realtà, Kadara prevede che potrebbe essere utilizzato per rimuovere l'arsenico residuo dall'acqua che viene attualmente pompata da pozzi al di fuori della comunità, assicurando che tutti ad Allensworth siano esposti alla minor quantità possibile di arsenico, anche a causa del clima il cambiamento minaccia il futuro dell'approvvigionamento idrico.

"Mentre affrontiamo la siccità, abbiamo visto le falde acquifere cadere e quando le falde acquifere si abbassano, hai un aumento dell'arsenico. ... Quindi, se abbiamo un processo che ci consente di utilizzare quell'acqua per bere e altra acqua potabile utilizzare, è nel nostro migliore interesse perseguire [quello]", ha detto Kadara. "Ci auguriamo che questo processo finisca per essere un modello per comunità come la nostra qui nello stato e in tutto il mondo". + Esplora ulteriormente

Scoperto muschio in grado di rimuovere l'arsenico dall'acqua potabile