Enligt pastor Dennis Hutson brukade folk älska smaken av Allensworths vatten.

"Folk brukar säga saker som "Wow, det här är det bästa vattnet jag någonsin smakat!", säger Hutson, som äger en gård i det lilla samhället Central Valley. "Det var till och med besökare som tog med sig litervis vatten med sig hem för att de tyckte att det smakade så gott."

Nu vet många invånare i detta historiskt svarta samhälle att det inte är säkert att dricka vatten från brunnarna i deras stad.

Liksom många områden i hela Kalifornien är grundvattnet under Allensworth behäftat med farliga nivåer av arsenik, ett mycket cancerframkallande element som kan sippra in i grundvattnet från avlagringar i jorden och berggrunden. Medan städer och större kommuner har råd att ta bort arsenik från sitt vatten, tvingas många människor som bor i små samhällen och på landsbygden välja mellan att dricka förorenat kranvatten eller att köpa vatten på flaska – och de med privata brunnar kanske inte ens vet att deras vatten är osäkert. .

I samarbete med Hutson och andra Allensworth-gemenskapsledare testar ingenjörer vid University of California, Berkeley, för närvarande ett enkelt och billigt nytt arsenikbehandlingssystem som är utformat för att hjälpa små lantliga samhällen som Allensworth att få tillgång till arseniksäkert dricksvatten .

Sedan början av juni har systemet – inrymt i ett litet grått skjul på Hutsons gård – tagit upp grundvatten från Hutsons jordbruksbrunn och minskat dess arseniknivåer från extremt giftiga 250 delar per miljard (ppb) till långt under Environmental Protection Agencys (EPA) ) gräns på 10 ppb. Om fälttestet fortsätter att vara framgångsrikt hoppas teamet få finansiering för att lansera en pilotanläggning i Central Valley.

"Uppskattningsvis 300 000 människor i Kalifornien exponeras för arsenikkoncentrationer högre än 10 ppb i sitt dricksvatten", säger forskargruppens ledare Ashok Gadgil, professor i civil- och miljöteknik vid UC Berkeley och senior fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory. "För första gången kommer vi att behandla grundvatten med höga halter av arsenik till ett pris som lokalbefolkningen har råd med och på ett sätt som de kan fungera."

Eftersom torka och extrem värme från klimatförändringar begränsar Kaliforniens försörjning av ytvatten, kommer fler och fler kommuner att förlita sig på grundvattenkällor som kan vara förorenade med arsenik – och utarmning av dessa övre grundvattenakviferer kan kräva att man når in i äldre, djupare akviferer som kan vara mer förorenad. Ett prisvärt reningssystem för arsenik skulle kunna tillhandahålla säkra och hållbara vattenkällor för landsbygdssamhällen, samtidigt som de begränsar utsläppen av växthusgaser som är involverade i tappning och transport av vatten från andra platser.

"Många samhällen där grundvattnet är högt i arsenik måste tillgripa andra lösningar, som att ta vatten från en närliggande stad ... och inte ens se lokalt vatten som ett alternativ för dricksvatten", säger Logan Smesrud, senior forskning och utveckling ingenjör i Gadgils labb. "Det här projektet omarbetar vad vi kan använda för dricksvatten."

För Hutson kommer att skapa en säker och pålitlig dricksvattenkälla vara nyckeln till att hjälpa Allensworth – den första staden i Kalifornien som grundades av afroamerikaner – att växa till ett självförsörjande och blomstrande samhälle.

"Jag vill se Allensworth frodas som ett jordbrukssamhälle med fokus på hållbart, regenerativt, ekologiskt jordbruk," sa Hutson. "Vi behöver dricksvatten för att inte bara överleva, utan för att trivas."

Bygga en framtid för en historisk stad

Solbakade Allensworth ligger cirka 45 mil norr om Bakersfield på Yokuts förfäders land. Gemenskapen grundades först 1908 av överste Allen Allensworth, en afroamerikan som flydde slaveri för att bli präst och den högst rankade svarta officeren i den amerikanska armén.

"Överste Allensworth och en grupp människor kom och grundade denna gemenskap i Allensworth ... med utgångspunkten att vara självstyrd," sa Hutson. "De ville ha säkerhet. De ville vara självförsörjande. Och den här staden blomstrade som ett resultat."

Under 1910-talet växte samhället till en livlig stad med mer än 200 invånare, med eget skoldistrikt, valdistrikt och en mängd olika småföretag. Men allt eftersom århundradet fortsatte ledde en rad ekonomiska bakslag – inklusive brist på tillräckligt med bevattningsvatten – till dess långsamma nedgång. Vid mitten av seklet hade befolkningen minskat till nästan noll.

Sedan 1970-talet har samhällsledare kämpat för att hålla arvet från Allensworth vid liv, och befolkningen har sakta återhämtat sig. Allensworth är nu hem för cirka 600 personer, av vilka majoriteten identifierar sig som latinska och är anställda som lantarbetare.

Hutson och hans svåger Kayode Kadara är båda medlemmar i Allensworth Progressive Association (APA), en organisation som är dedikerad till att förbättra livskvaliteten för invånarna i samhället. Kadara sa att APA arbetar för att förbättra stadens vatteninfrastruktur och avloppssystem, bygga ytterligare bostäder och öka tillgången på hälsosam mat. Men tillgång till säkert dricksvatten är fortfarande en central utmaning.

"Nästan var som helst i regionen här, om de förlitar sig på grundvatten för hushållsbruk, är arsenik en av de största föroreningarna," sa Kadara. "I vårt fall här är det vår primära förorening."

För att få Allensworths kranvatten i överensstämmelse med EPA:s gränser för arsenikkontamination, sa Kadara att samhällsservicedistriktet drar vatten från två brunnar som ligger tre mil öster om staden, där arseniknivåerna är mycket närmare 10 ppb. Genom att blanda vatten från dessa två källor kan distriktet vanligtvis få arseniknivåerna under EPA-gränsen - men överskridanden förekommer fortfarande. Eftersom brunnarna ligger nära betesmarker, blir vattnet också ibland förorenat med bakterier, och invånarna måste koka sitt kranvatten innan de dricker det.

Som ett resultat väljer många invånare att dricka vatten på flaska eller köra till närliggande städer för att fylla på kannor vid vattenkiosker. Detta lägger en extra ekonomisk börda på familjer som redan kämpar för att klara sig.

"Det finns människor som kommer att ha en fem-liters kanna, och de kommer att åka till Delano, som ligger 15 miles härifrån, för att köpa vatten," sa Hutson.

APA introducerades först för Gadgil av Tom Tomich, en framstående professor i hållbarhetsvetenskap och politik vid University of California, Davis, som besökte Allensworth med en grupp andra utbildare och filantroper 2017.

"Min svåger, Kayode Kadara [sade], 'Det finns en sak du kan göra för oss - känner du någon som kan få arsenik ur vattnet?'" sa Hutson. "[Dr. Tomich] kontaktade oss ungefär en månad, och en halv månad senare, och Dr. Gadgil var i telefon, och vi pratade och övertalade honom att komma till Allensworth och använda hans teknik. Vi har haft en underbar relation någonsin sedan."

Från Indien till Kalifornien

I mer än 15 år har Gadgil och hans team utvecklat billiga arsenikbehandlingssystem för att ge säkert vatten till landsbygdssamhällen. Sedan 2016 har deras första reningsverk, på en gymnasieskola utanför Kolkata, Indien, tillhandahållit prisvärt, säkert dricksvatten till 3 000 elever och medlemmar i lokalsamhället. Anläggningen byggdes med bidrag från Indo-U.S. Science and Technology Forum, och i samarbete med Jadavpur University och en indisk industriell licenstagare av Gadgils teknologi. Industrilicenstagaren har byggt och driver nu ett andra reningsverk i Indien.

"Tekniken som vi designade för Indien, nära Bangladesh, är mycket effektiv, men långsam, låg kostnad och relativt arbetsintensiv; den är väl lämpad för de indiska fattiga på landsbygden," sa Gadgil. "Där är arsenikkoncentrationen i grundvattnet 250 delar per miljard, och vi sänker den till 3 delar [per miljard], och de har fortfarande råd eftersom det kostar dem 0,8 cent per liter och också ger lokal sysselsättning."

Medan östra Indien och Bangladesh har några av de högsta nivåerna av arsenik grundvattenförorening i världen, uppstår ytterligare hot spots runt om i världen, inklusive i USA. Här kan större kommuner använda en process som kallas omvänd osmos för att avlägsna arsenik och andra föroreningar från grundvattnet . Denna process kräver dock både en kostsam anläggning och utbildad personal för att driva den, vilka båda kan vara ett hinder för landsbygden eller fattiga samhällen.

Som ett exempel pekar Gadgil på det oinkorporerade samhället Lanare, 60 mil nordväst om Allensworth, som använde statliga och statliga medel för att bygga en anläggning för behandling av arsenik 2007. Sex månader senare tvingades samhället stänga anläggningen eftersom det kunde inte har råd med de löpande underhållskostnaderna. Slutligen, 2019, tillhandahöll staten ytterligare 4 miljoner dollar för att borra fler borrhål så att samhället kunde få säkert dricksvatten igen.

"Vi måste tillämpa vår ingenjörskunskap och kreativitet för att hitta lösningar som är störande, som inte följer det här mönstret där kostnaderna per person bara fortsätter att stiga ju färre personer du har", sa Gadgil.

År 2014, efter att ha tillbringat två år med att testa arsenikbehandlingssystemet i Indien, flyttade nuvarande postdoktorale forskare från UC Berkeley Siva Bandaru från Indien till Kalifornien för att hjälpa Gadgil att avgöra om tekniken också skulle kunna bidra till att ge rent vatten till samhällen i Central Valley på landsbygden. Utrustad med en miniatyrversion av arsenikbehandlingssystemet som var monterat på hjul för ökad bärbarhet, reste Bandaru runt i delstaten för att testa systemet på arsenikbelagt grundvatten från Kalifornien.

"Överallt där vi gick fann vi att den här tekniken tar bort arsenik", säger Bandaru, som avslutade en doktorsexamen. i Gadgils labb 2020 innan han fortsatte som postdoktor. "Men vi identifierade också några stora utmaningar med att föra tekniken från Indien till Kalifornien."

För det första, eftersom vattenförbrukningen i USA är mycket högre än i Indien, skulle tekniken behöva kunna ta bort arsenik från vatten i mycket snabbare takt, utan någon förlust av prestanda. För det andra, för att hålla kostnaderna låga, skulle tekniken också behöva kunna fungera under långa perioder med mycket lite mänskligt ingripande.

Strax efter att Bandaru gick med i Gadgils labb som doktorand 2016, kom teamet på en idé som kunde lösa båda dessa problem och potentiellt göra behandlingssystemet livskraftigt på landsbygden i Kalifornien.

Problemet med grönrost

Gadgils ursprungliga arsenikbehandlingsteknologi, kallad Electrochemical Arsenic Remediation (ECAR), är baserad på samma typer av elektrokemiska reaktioner som driver ett batteri. Varje elektrokemisk reaktor består av två stålplattor, en anod och en katod, som är nedsänkta i vatten. Att köra en ström över dessa stålplattor frigör järnjoner, som reagerar med arsenik och löst syre för att bilda järnoxid – även känd som rost – och arsenik (V), en oxiderad form av grundämnet som är lättare att ta bort från vatten. Arseniken (V) fastnar på rosten och båda kan enkelt filtreras bort.

ECAR-systemet som körs i Indien är billigt, mycket effektivt och producerar endast en minimal mängd avfall – ungefär en tredjedel av en kopp slam per person och år. Det har dock vissa nackdelar. Processen är relativt långsam och tar cirka 100 minuter att rengöra 1 000 liter vatten. Och när systemet körs kontinuerligt kan föroreningar och rost samlas på ytan av var och en av de 32, 1 meter x 1 meter stålplåtar, vilket förhindrar att de nödvändiga järnjonerna kommer in i vattnet.

"I Indien just nu har vi en operatör som rengör tallrikarna i slutet av varje dag," sa Bandaru. "Vi har inte råd att ha det i Kalifornien eftersom arbetskostnaderna är höga, och vi vill att den här tekniken ska vara så billig att små låginkomstsamhällen har råd med det."

Teamet fann att att köra högre strömmar genom plattorna kan påskynda reaktionen och förhindra ansamling av föroreningar på elektroderna. Men det kan också utlösa andra problem – särskilt problemet med grönrost.

När antalet järnjoner i vattnet börjar överstiga antalet lösta syremolekyler, kan järnjonerna börja klumpa ihop sig för att bilda ett oxidkomplex som kallas grönrost, som – till skillnad från orange rost – faktiskt kan hindra arsenikborttagningsreaktionen. Eftersom nya syremolekyler endast kan komma in i vattnet genom att långsamt diffundera in från atmosfären, kan pumpning av högre strömmar genom ECAR-systemet snabbt skapa för många järnjoner och grönrost.

Bandarus genombrott kom i form av en teknik som kallas luftkatod. Luftkatoder tar syre från luften och reducerar det för att skapa och frigöra väteperoxid i vattnet, vilket kan tjäna en ännu mer kraftfull roll än löst syre gör i ECAR-reaktionen för att avlägsna arsenik. Genom att para ihop en stålanod med en luftkatod matchas varje järnjon som produceras av stålanoden omedelbart med en väteperoxidmolekyl som produceras av luftkatoden. Som ett resultat är reaktionen inte längre begränsad av den tröga diffusionshastigheten av syre.

"Nu förlitar vi oss inte längre på syret som diffunderar från atmosfären," sa Bandaru. "Även om du använder systemet med riktigt höga strömtätheter skapar du lika många väteperoxidmolekyler som järnjoner, så du har inga problem med att överflödigt järn ackumuleras."

Den nya tekniken, som teamet kallade Air Cathode Assisted Iron Electrocoagulation (ACAIE), kan ta bort arsenik från vatten 5 000 gånger snabbare än ECAR och kan användas kontinuerligt med mycket lite underhåll. För att säkerställa elsäkerhet och begränsa kostnaderna för utrustning fungerar det aktuella ACAIE-fältförsöket i Allensworth bara 200 gånger snabbare än ECAR.

Under sommaren 2019, medan ACAIE-systemet fortfarande var under utveckling, ledde den tidigare UC Berkeley-studenten Sara Glade det första fältförsöket med tekniken för borttagning av arsenik i Allensworth. Teamet körde en miniatyr, 100-litersversion av ECAR-systemet ur en trång och svällande hydda på Hutsons gård. Under den sista veckan av försöket visade teamet att en modifierad version av ECAR-systemet, som använde tillsatt väteperoxid för att driva reaktionen, också kunde ta bort arsenik från Allensworths vatten.

I maj i år, efter förseningar orsakade av covid-19-pandemin, lanserade teamet hela fältförsöket med ACAIE på Hutsons gård med stöd av medel från delstaten Kalifornien. Forskarna samarbetar också med professor Winston Tseng vid UC Berkeley School of Public Health för att utveckla uppsökande material för att kommunicera farorna med arsenik till lokalsamhället.

"Det är en riktigt spännande process, att föra tekniken från labbet till fältet och sedan arbeta med samhället och utveckla en relation med dem," sa Bandaru. "Det fungerar riktigt bra."

En framtid för Kaliforniens vattenförsörjning

Det nya arsenikvattenbehandlingssystemet består av fem ACAIE-reaktorer följt av en serie filtreringssteg för att avlägsna den arsenikbelastade rosten. Sedan början av juni har systemet behandlat cirka 600 liter vatten i timmen – eller 3 gallon per minut – vatten från Hutsons brunn. Varje timme samlar en medlem av Gadgils team ett prov av det behandlade vattnet och tar det till ett närliggande skjul, där det testas för arsenik och andra mått på vattenkvaliteten.

"Jag tror att små, mestadels landsbygdssamhällen är där den här tekniken verkligen kan lysa," sa Smesrud. "Även i den skala som det är byggt just nu producerar vårt reningssystem tillräckligt med vatten för att leverera dricksvatten till en stad som är ungefär lika stor som Allensworth. Men ... det kan skalas upp."

Vattnet som kommer ut innehåller mindre än 10 ppb arsenik och uppfyller dricksvattennormerna för grumlighet och klarhet. Men eftersom systemet ännu inte är godkänt av California Environmental Protection Agency eller California State Water Resources Control Board för behandling av dricksvatten, måste allt vatten som systemet behandlar kasseras.

Dessutom har grundvattnet från Hutsons brunn en hög salthalt, så ett ytterligare avsaltningssteg skulle behövas för att göra det drickbart. Men Gadgil sa att det finns tusentals andra brunnar i Kalifornien som har bra dricksvatten, förutom arseniken, och där systemet skulle kunna implementeras utan detta ytterligare behandlingssteg.

Fältförsöket har finansiering för att fungera till slutet av året, varefter Gadgils team noggrant kommer att dekonstruera behandlingssystemet och återställa marken på Hutsons gård till sitt ursprungliga skick. Nästa steg i projektet blir att göra systemet nästan helt automatiserat, med en enkel "på/av"-mekanism och intern automatisk processkontroll som gör att det kan övervakas och fjärrstyras. Helst skulle ett sådant system bara kräva cirka två timmars arbete i veckan, vilket skulle sänka kostnaden för att producera dricksvatten under kostnaderna för vatten på flaska, sa Gadgil.

Om ett sådant system blir verklighet, föreställer sig Kadara att det skulle kunna användas för att avlägsna resterande arsenik från vattnet som för närvarande pumpas in från brunnar utanför samhället, vilket säkerställer att alla i Allensworth utsätts för så lite arsenik som möjligt, även som klimat förändring hotar vattenförsörjningens framtid.

"När vi hanterar torka har vi sett att grundvattennivåerna sjunker - och när du har sjunkande grundvattennivåer har du en ökning av arsenik. ... Så, om vi har en process som tillåter oss att använda det vattnet för dricksvatten och annat dricksvatten användning, det ligger i vårt bästa intresse att fullfölja [det]," sa Kadara. "Vi hoppas att den här processen blir en modell för samhällen som vårt här i staten och över hela världen." + Utforska vidare

Mossa som kan ta bort arsenik från dricksvatten upptäcktes