De acordo com o Rev. Dennis Hutson, as pessoas adoravam o sabor da água de Allensworth.
"As pessoas costumavam dizer coisas como:'Uau, esta é a melhor água que eu já provei!'", disse Hutson, dono de uma fazenda na pequena comunidade de Central Valley. "Houve até mesmo visitantes que levaram galões de água para casa porque achavam que o gosto era tão bom."

Agora, muitos moradores dessa comunidade historicamente negra sabem que não é seguro beber água dos poços de sua cidade.

Como muitas áreas da Califórnia, as águas subterrâneas abaixo de Allensworth estão contaminadas com níveis perigosos de arsênico, um elemento altamente cancerígeno que pode penetrar no lençol freático a partir de depósitos no solo e no leito rochoso. Embora as cidades e municípios maiores possam remover o arsênico de sua água, muitas pessoas que vivem em comunidades pequenas e rurais são forçadas a escolher entre beber água contaminada da torneira ou comprar água engarrafada – e aqueles com poços particulares podem nem saber que sua água não é segura .

Em colaboração com Hutson e outros líderes comunitários de Allensworth, engenheiros da Universidade da Califórnia, Berkeley, estão atualmente testando em campo um novo sistema de tratamento de arsênico simples e de baixo custo, projetado para ajudar pequenas comunidades rurais como Allensworth a acessar água potável segura para arsênico. .

Desde o início de junho, o sistema - alojado em um pequeno galpão cinza na fazenda de Hutson - vem extraindo água subterrânea do poço agrícola de Hutson e reduzindo seus níveis de arsênico de 250 partes por bilhão (ppb) extremamente tóxicos para bem abaixo dos níveis da Agência de Proteção Ambiental (EPA). ) limite de 10 ppb. Se o teste de campo continuar sendo bem-sucedido, a equipe espera obter o financiamento para lançar uma planta piloto no Vale Central.

“Estima-se que 300.000 pessoas na Califórnia estão expostas a concentrações de arsênico superiores a 10 ppb em sua água potável”, disse o líder da equipe de pesquisa Ashok Gadgil, professor de engenharia civil e ambiental da UC Berkeley e cientista sênior do Lawrence Berkeley National Laboratory. "Pela primeira vez, trataremos águas subterrâneas com altos níveis de arsênico a um preço que a população local pode pagar e de uma maneira que possa operar".

À medida que a seca e o calor extremo da mudança climática limitam o abastecimento de água de superfície da Califórnia, mais e mais municípios dependem de fontes de água subterrânea que podem estar contaminadas com arsênico – e o esgotamento desses aquíferos subterrâneos superiores pode exigir o acesso a aquíferos mais antigos e profundos que podem ser mais contaminado. Um sistema de tratamento de arsênico acessível poderia fornecer fontes seguras e sustentáveis ​​de água para comunidades rurais, limitando as emissões de gases de efeito estufa envolvidas no engarrafamento e transporte de água de outros locais.

"Muitas comunidades onde as águas subterrâneas são ricas em arsênico precisam recorrer a outras soluções, como tirar água de uma cidade próxima... e nem mesmo ver a água local como uma opção para beber água", disse Logan Smesrud, pesquisador sênior e desenvolvimento engenheiro no laboratório de Gadgil. "Este projeto está reformulando o que podemos usar para água potável."

Para Hutson, criar uma fonte segura e confiável de água potável será a chave para ajudar Allensworth – a primeira cidade da Califórnia a ser estabelecida por afro-americanos – a se tornar uma comunidade autossuficiente e próspera.

"Quero ver Allensworth prosperar como uma comunidade agrícola com foco na agricultura orgânica, regenerativa e sustentável", disse Hutson. "Precisamos de água potável não apenas para sobreviver, mas para prosperar."

Construindo um futuro para uma cidade histórica

Allensworth ensolarado está localizado a cerca de 45 milhas ao norte de Bakersfield, nas terras ancestrais dos Yokuts. A comunidade foi fundada em 1908 pelo coronel Allen Allensworth, um afro-americano que escapou da escravidão para se tornar capelão e o oficial negro mais graduado do Exército dos EUA.

"O coronel Allensworth e um grupo de pessoas vieram e fundaram esta comunidade de Allensworth... com a premissa de ser autogovernado", disse Hutson. "Eles queriam segurança. Eles queriam ser auto-suficientes. E esta cidade prosperou como resultado."

Durante a década de 1910, a comunidade cresceu para uma cidade movimentada de mais de 200 pessoas, com seu próprio distrito escolar, distrito eleitoral e uma variedade de pequenos negócios. Mas à medida que o século avançava, uma série de reveses econômicos – incluindo a falta de água suficiente para irrigação – levou ao seu lento declínio. Em meados do século, a população havia diminuído para quase zero.

Desde a década de 1970, os líderes comunitários lutam para manter vivo o legado de Allensworth, e a população se recuperou lentamente. Allensworth agora abriga cerca de 600 pessoas, a maioria das quais se identifica como latina e trabalha como trabalhadora agrícola.

Hutson e seu cunhado Kayode Kadara são membros da Allensworth Progressive Association (APA), uma organização dedicada a melhorar a qualidade de vida dos moradores da comunidade. Kadara disse que a APA está trabalhando para melhorar a infraestrutura de água e esgoto da cidade, construir moradias adicionais e aumentar a disponibilidade de alimentos saudáveis. Mas o acesso à água potável continua a ser um desafio central.

“Quase qualquer lugar que você vá na região aqui, se eles dependem de águas subterrâneas para uso doméstico, o arsênico é um dos principais contaminantes”, disse Kadara. "No nosso caso aqui, esse é o nosso principal contaminante."

Para trazer a água da torneira de Allensworth em conformidade com os limites da EPA sobre contaminação por arsênico, Kadara disse que o distrito de serviços comunitários extrai água de dois poços localizados a cinco quilômetros a leste da cidade, onde os níveis de arsênico estão muito mais próximos de 10 ppb. Ao misturar a água dessas duas fontes, o distrito geralmente pode trazer os níveis de arsênico abaixo do limite da EPA – mas ainda ocorrem excessos. Como os poços estão localizados perto de pastagens, a água também ocasionalmente fica contaminada com bactérias, e os moradores são obrigados a ferver a água da torneira antes de beber.

Como resultado, muitos moradores optam por beber água engarrafada ou dirigir até cidades vizinhas para encher jarros em quiosques de água. Isso coloca um fardo financeiro extra para as famílias que já estão lutando para sobreviver.

"Há pessoas que terão um jarro de cinco galões e irão para Delano, que fica a 15 milhas daqui, para comprar água", disse Hutson.

A APA foi apresentada pela primeira vez a Gadgil por Tom Tomich, um distinto professor de ciência e política de sustentabilidade da Universidade da Califórnia, Davis, que visitou Allensworth com um grupo de outros educadores e filantropos em 2017.

"Meu cunhado, Kayode Kadara [disse], 'Há uma coisa que você pode fazer por nós - você conhece alguém que pode tirar arsênico da água?'", disse Hutson. "[Dr. Tomich] entrou em contato conosco cerca de um mês, mês e meio depois, e o Dr. Gadgil estava ao telefone, e conversamos e o convencemos a vir a Allensworth e empregar sua tecnologia. desde."

Da Índia à Califórnia

Por mais de 15 anos, Gadgil e sua equipe vêm desenvolvendo sistemas de tratamento de arsênico de baixo custo para fornecer água potável para comunidades rurais. Desde 2016, sua primeira estação de tratamento, em uma escola secundária fora de Calcutá, na Índia, fornece água potável acessível e segura para 3.000 alunos e membros da comunidade local. A planta foi construída com financiamento do Indo-U.S. Fórum de Ciência e Tecnologia e em colaboração com a Universidade de Jadavpur e um licenciado industrial indiano da tecnologia de Gadgil. O licenciado industrial construiu e agora está operando uma segunda estação de tratamento na Índia.

"A [tecnologia] que projetamos para a Índia, perto de Bangladesh, é altamente eficaz, mas lenta, de baixo custo e relativamente trabalhosa; é adequada para os pobres rurais indianos", disse Gadgil. “Lá, a concentração de arsênico nas águas subterrâneas é de 250 partes por bilhão, e nós reduzimos para 3 partes [por bilhão], e ainda assim eles podem pagar porque custa 0,8 centavos por litro e também fornece emprego local”.

Embora o leste da Índia e Bangladesh tenham alguns dos níveis mais altos de contaminação de águas subterrâneas por arsênico do mundo, pontos quentes adicionais aparecem em todo o mundo, inclusive nos EUA. Aqui, municípios maiores podem usar um processo chamado osmose reversa para remover arsênico e outros contaminantes das águas subterrâneas . No entanto, este processo requer uma instalação cara e pessoal treinado para executá-lo, o que pode ser um obstáculo para as comunidades rurais ou pobres.

Como exemplo, Gadgil aponta para a comunidade não incorporada de Lanare, 60 milhas a noroeste de Allensworth, que usou fundos do estado e do governo para construir uma instalação de tratamento de arsênico em 2007. Seis meses depois, a comunidade foi forçada a fechar a instalação porque poderia não arcar com os custos de manutenção contínua. Finalmente, em 2019, o estado forneceu US$ 4 milhões adicionais para perfurar mais poços para que a comunidade pudesse ter água potável novamente.

“Precisamos aplicar nosso conhecimento de engenharia e criatividade para encontrar soluções que sejam disruptivas, que não sigam esse padrão em que os custos por pessoa continuam subindo quanto menos pessoas você tiver”, disse Gadgil.

Em 2014, depois de passar dois anos testando em campo o sistema de tratamento de arsênico na Índia, o atual pesquisador de pós-doutorado da UC Berkeley, Siva Bandaru, mudou-se da Índia para a Califórnia para ajudar Gadgil a determinar se a tecnologia também poderia ajudar a fornecer água limpa às comunidades rurais do Vale Central. Equipado com uma versão em miniatura do sistema de tratamento de arsênico que foi montado sobre rodas para maior portabilidade, Bandaru viajou pelo estado para testar o sistema em águas subterrâneas da Califórnia contaminadas com arsênico.

"Em todos os lugares que fomos, descobrimos que essa tecnologia remove o arsênico", disse Bandaru, que concluiu seu doutorado. no laboratório de Gadgil em 2020 antes de continuar como pesquisador de pós-doutorado. "Mas também identificamos alguns grandes desafios em trazer a tecnologia da Índia para a Califórnia."

Primeiro, como o consumo de água nos EUA é muito maior do que na Índia, a tecnologia precisaria remover o arsênico da água a uma taxa muito mais rápida, sem perda de desempenho. Em segundo lugar, para manter os custos baixos, a tecnologia também precisaria ser capaz de operar por longos períodos de tempo com muito pouca intervenção humana.

Logo depois que Bandaru ingressou no laboratório de Gadgil como estudante de pós-graduação em 2016, a equipe teve uma ideia que poderia resolver esses dois problemas e potencialmente tornar o sistema de tratamento viável na zona rural da Califórnia.

O problema da ferrugem verde

A tecnologia original de tratamento de arsênico de Gadgil, chamada Remediação Eletroquímica de Arsênico (ECAR), é baseada nos mesmos tipos de reações eletroquímicas que alimentam uma bateria. Cada reator eletroquímico consiste em duas placas de aço, um ânodo e um cátodo, que são imersos em água. A passagem de uma corrente por essas placas de aço libera íons de ferro, que reagem com arsênico e oxigênio dissolvido para formar óxido de ferro – também conhecido como ferrugem – e arsênico (V), uma forma oxidada do elemento que é mais fácil de remover da água. O arsênico (V) adere à ferrugem e ambos podem ser facilmente filtrados.

O sistema ECAR em execução na Índia é barato, altamente eficaz e produz apenas uma quantidade mínima de resíduos – cerca de um terço de uma xícara de lodo por pessoa por ano. No entanto, tem alguns inconvenientes. O processo é relativamente lento, levando aproximadamente 100 minutos para limpar 1.000 litros de água. E ao operar o sistema continuamente, impurezas e ferrugem podem se acumular na superfície de cada uma das 32 placas de aço de 1 metro por 1 metro, impedindo que os íons de ferro necessários entrem na água.

"Na Índia, agora, temos um operador que limpa as placas no final de cada dia", disse Bandaru. “Não podemos ter isso na Califórnia porque os custos trabalhistas são altos e queremos que essa tecnologia seja tão barata que pequenas comunidades de baixa renda possam pagar”.

A equipe descobriu que passar correntes mais altas pelas placas pode acelerar a reação e evitar o acúmulo de impurezas nos eletrodos. No entanto, também pode desencadear outros problemas, principalmente o problema da ferrugem verde.

Quando o número de íons de ferro na água começa a exceder o número de moléculas de oxigênio dissolvido, os íons de ferro podem começar a se agrupar para formar um complexo de óxido chamado ferrugem verde, que, ao contrário da ferrugem laranja, pode realmente impedir a reação de remoção de arsênico. Como as novas moléculas de oxigênio só podem entrar na água se difundindo lentamente da atmosfera, o bombeamento de correntes mais altas através do sistema ECAR pode criar rapidamente muitos íons de ferro e ferrugem verde.

A descoberta de Bandaru veio na forma de uma tecnologia chamada de cátodo de ar. Os cátodos de ar capturam o oxigênio do ar e o reduzem para criar e liberar peróxido de hidrogênio na água, que pode ter um papel ainda mais poderoso do que o oxigênio dissolvido na reação de remoção de arsênico do ECAR. Ao emparelhar um ânodo de aço com um cátodo de ar, cada íon de ferro que é produzido pelo ânodo de aço é instantaneamente combinado com uma molécula de peróxido de hidrogênio produzida pelo cátodo de ar. Como resultado, a reação não é mais limitada pela lenta taxa de difusão do oxigênio.

"Agora, não estamos mais contando com a difusão do oxigênio da atmosfera", disse Bandaru. "Mesmo se você operar o sistema em densidades de corrente realmente altas, você cria um número igual de moléculas de peróxido de hidrogênio como íons de ferro, então você não tem problemas com o excesso de ferro acumulado."

A nova tecnologia, que a equipe chamou de Air Cathode Assisted Iron Electrocoagulation (ACAIE), pode remover o arsênico da água 5.000 vezes mais rápido que o ECAR e pode ser operada continuamente com muito pouca manutenção. Para garantir a segurança elétrica e limitar os custos dos equipamentos, o atual teste de campo do ACAIE em Allensworth está operando apenas 200 vezes mais rápido que o ECAR.

Durante o verão de 2019, enquanto o sistema ACAIE ainda estava em desenvolvimento, a ex-aluna de pós-graduação da UC Berkeley Sara Glade liderou o primeiro teste de campo da tecnologia de remoção de arsênico em Allensworth. A equipe operou uma versão em miniatura de 100 litros do sistema ECAR em um barraco apertado e sufocante na fazenda de Hutson. Durante a última semana do teste, a equipe mostrou que uma versão modificada do sistema ECAR, que usava peróxido de hidrogênio adicionado para conduzir a reação, também poderia remover o arsênico da água de Allensworth.

Em maio deste ano, após atrasos causados ​​pela pandemia do COVID-19, a equipe lançou o teste de campo completo do ACAIE na fazenda de Hutson com o apoio de fundos do estado da Califórnia. Os pesquisadores também estão colaborando com o professor da Escola de Saúde Pública da UC Berkeley, Winston Tseng, para desenvolver materiais de divulgação para comunicar os perigos do arsênico à comunidade local.

“É um processo realmente empolgante, trazer a tecnologia do laboratório para o campo e depois trabalhar com a comunidade e desenvolver um relacionamento com eles”, disse Bandaru. "Está funcionando muito bem."

Um futuro para o abastecimento de água da Califórnia

O novo sistema de tratamento de água com arsênico consiste em cinco reatores ACAIE seguidos por uma série de etapas de filtragem para remover a ferrugem carregada de arsênico. Desde o início de junho, o sistema trata aproximadamente 600 litros por hora – ou 3 galões por minuto – de água do poço de Hutson. A cada hora, um membro da equipe de Gadgil coleta uma amostra da água tratada e a leva para um galpão vizinho, onde é testada para arsênico e outras medidas de qualidade da água.

"Acho que pequenas comunidades, principalmente rurais, são onde essa tecnologia pode realmente brilhar", disse Smesrud. "Mesmo na escala em que está construído agora, nosso sistema de tratamento está produzindo água suficiente para fornecer água potável para uma cidade do tamanho de Allensworth. Mas... pode ser ampliado."

A água que emerge contém menos de 10 ppb de arsênico e atende aos padrões de água potável para turbidez e transparência. No entanto, como o sistema ainda não foi aprovado pela Agência de Proteção Ambiental da Califórnia ou pelo Conselho de Controle de Recursos Hídricos do Estado da Califórnia para tratamento de água potável, toda a água tratada pelo sistema deve ser descartada.

Além disso, a água subterrânea do poço de Hutson tem um alto teor de sal, de modo que seria necessária uma etapa adicional de dessalinização para torná-la potável. No entanto, Gadgil disse que existem milhares de outros poços na Califórnia que têm água potável, exceto o arsênico, e onde o sistema poderia ser implementado sem essa etapa de tratamento adicional.

O teste de campo tem financiamento para operar até o final do ano, após o qual a equipe de Gadgil irá desconstruir cuidadosamente o sistema de tratamento e devolver a terra na fazenda de Hutson ao seu estado original. O próximo passo do projeto será tornar o sistema quase totalmente automatizado, com um mecanismo fácil de "ligar/desligar" e controle de processo automático interno que permitirá que ele seja monitorado e operado remotamente. Idealmente, tal sistema exigiria apenas cerca de duas horas de trabalho por semana, trazendo o custo de produção de água potável abaixo do da água engarrafada, disse Gadgil.

Se tal sistema se tornar realidade, Kadara prevê que poderia ser usado para remover o arsênico residual da água que atualmente é bombeada de poços fora da comunidade, garantindo que todos em Allensworth sejam expostos ao menos arsênico possível, mesmo que o clima mudança ameaça o futuro do abastecimento de água.

"À medida que lidamos com a seca, vimos os lençóis freáticos caindo - e quando você diminui os lençóis freáticos, aumenta o arsênico. ... Então, se tivermos um processo que nos permita usar essa água para beber e outras águas usar, é do nosso interesse buscar [isso]", disse Kadara. “Esperamos que esse processo acabe sendo um modelo para comunidades como a nossa aqui no estado e em todo o mundo”. + Explorar mais

Descoberto musgo capaz de remover arsênico da água potável