Selon le révérend Dennis Hutson, les gens aimaient le goût de l'eau d'Allensworth.

"Les gens disaient des choses comme, 'Wow, c'est la meilleure eau que j'aie jamais goûtée !'", a déclaré Hutson, propriétaire d'une ferme dans la petite communauté de Central Valley. "Il y avait même des visiteurs qui emportaient chez eux des cruches d'un gallon d'eau parce qu'ils trouvaient que c'était si bon."

Aujourd'hui, de nombreux habitants de cette communauté historiquement noire savent qu'il n'est pas sûr de boire l'eau des puits de leur ville.

Comme dans de nombreuses régions de Californie, les eaux souterraines sous Allensworth sont contaminées par des niveaux dangereux d'arsenic, un élément hautement cancérigène qui peut s'infiltrer dans la nappe phréatique à partir de dépôts dans le sol et le substrat rocheux. Alors que les villes et les grandes municipalités peuvent se permettre d'éliminer l'arsenic de leur eau, de nombreuses personnes vivant dans de petites communautés rurales sont obligées de choisir entre boire de l'eau du robinet contaminée ou acheter de l'eau en bouteille - et ceux qui ont des puits privés peuvent même ne pas savoir que leur eau est insalubre .

En collaboration avec Hutson et d'autres dirigeants communautaires d'Allensworth, des ingénieurs de l'Université de Californie à Berkeley testent actuellement sur le terrain un nouveau système de traitement de l'arsenic simple et peu coûteux conçu pour aider les petites communautés rurales comme Allensworth à accéder à une eau potable sans arsenic. .

Depuis début juin, le système, installé dans un petit hangar gris de la ferme de Hutson, puise les eaux souterraines du puits agricole de Hutson et réduit ses niveaux d'arsenic d'un niveau extrêmement toxique de 250 parties par milliard (ppb) à un niveau bien inférieur à celui de l'Agence de protection de l'environnement (EPA ) limite de 10 ppb. Si le test sur le terrain continue d'être un succès, l'équipe espère obtenir le financement pour lancer une usine pilote dans la vallée centrale.

"On estime que 300 000 personnes en Californie sont exposées à des concentrations d'arsenic supérieures à 10 ppb dans leur eau potable", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Ashok Gadgil, professeur de génie civil et environnemental à l'UC Berkeley et chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory. "Pour la première fois, nous traiterons les eaux souterraines contenant des niveaux élevés d'arsenic à un prix que les populations locales peuvent se permettre et d'une manière qu'elles peuvent exploiter."

Alors que la sécheresse et la chaleur extrême dues au changement climatique limitent l'approvisionnement en eau de surface de la Californie, de plus en plus de municipalités dépendront de sources d'eau souterraine susceptibles d'être contaminées par l'arsenic - et l'épuisement de ces aquifères souterrains supérieurs pourrait nécessiter d'atteindre des aquifères plus anciens et plus profonds qui pourraient être plus contaminé. Un système abordable de traitement de l'arsenic pourrait fournir des sources d'eau sûres et durables aux communautés rurales, tout en limitant les émissions de gaz à effet de serre liées à l'embouteillage et au transport de l'eau depuis d'autres endroits.

"Beaucoup de communautés où les eaux souterraines sont riches en arsenic doivent recourir à d'autres solutions, comme prendre l'eau d'une ville voisine … et ne même pas considérer l'eau locale comme une option pour l'eau potable", a déclaré Logan Smesrud, responsable de la recherche et du développement. ingénieur dans le laboratoire de Gadgil. "Ce projet recadre ce que nous pouvons utiliser pour l'eau potable."

Pour Hutson, la création d'une source d'eau potable sûre et fiable sera essentielle pour aider Allensworth, la première ville de Californie à être fondée par des Afro-Américains, à devenir une communauté autosuffisante et florissante.

"Je veux voir Allensworth prospérer en tant que communauté agricole axée sur une agriculture durable, régénérative et biologique", a déclaré Hutson. "Nous avons besoin d'eau potable non seulement pour survivre, mais aussi pour prospérer."

Construire un avenir pour une ville historique

Sun-baked Allensworth est situé à environ 45 miles au nord de Bakersfield sur les terres ancestrales des Yokuts. La communauté a été fondée en 1908 par le colonel Allen Allensworth, un Afro-américain qui a échappé à l'esclavage pour devenir aumônier et officier noir le plus haut gradé de l'armée américaine.

"Le colonel Allensworth et un groupe de personnes sont venus et ont fondé cette communauté d'Allensworth… avec la prémisse d'être autonome", a déclaré Hutson. "Ils voulaient la sécurité. Ils voulaient être autosuffisants. Et cette ville a prospéré en conséquence."

Au cours des années 1910, la communauté est devenue une ville animée de plus de 200 habitants, avec son propre district scolaire, une circonscription électorale et une variété de petites entreprises. Mais au fil du siècle, une série de revers économiques, notamment un manque d'eau d'irrigation suffisante, a entraîné son lent déclin. Au milieu du siècle, la population était tombée à près de zéro.

Depuis les années 1970, les dirigeants communautaires se sont battus pour préserver l'héritage d'Allensworth et la population a lentement rebondi. Allensworth abrite aujourd'hui environ 600 personnes, dont la majorité s'identifient comme Latinx et sont employées comme ouvriers agricoles.

Hutson et son beau-frère Kayode Kadara sont tous deux membres de l'Allensworth Progressive Association (APA), une organisation vouée à l'amélioration de la qualité de vie des résidents de la communauté. Kadara a déclaré que l'APA s'efforçait d'améliorer les infrastructures d'approvisionnement en eau et d'égouts de la ville, de construire des logements supplémentaires et d'augmenter la disponibilité d'aliments sains. Mais l'accès à l'eau potable reste un défi central.

"Presque partout où vous allez dans la région ici, s'ils dépendent des eaux souterraines pour un usage domestique, l'arsenic est l'un des principaux contaminants", a déclaré Kadara. "Dans notre cas ici, c'est notre principal contaminant."

Pour mettre l'eau du robinet d'Allensworth en conformité avec les limites de l'EPA sur la contamination par l'arsenic, Kadara a déclaré que le district des services communautaires puise l'eau de deux puits situés à cinq kilomètres à l'est de la ville, où les niveaux d'arsenic sont beaucoup plus proches de 10 ppb. En mélangeant l'eau de ces deux sources, le district peut généralement ramener les niveaux d'arsenic en dessous de la limite de l'EPA, mais des dépassements se produisent toujours. Parce que les puits sont situés près des pâturages, l'eau est également parfois contaminée par des bactéries, et les résidents sont tenus de faire bouillir l'eau du robinet avant de la boire.

En conséquence, de nombreux habitants choisissent de boire de l'eau en bouteille ou de se rendre dans les villes voisines pour remplir des cruches aux kiosques à eau. Cela impose un fardeau financier supplémentaire aux familles qui ont déjà du mal à joindre les deux bouts.

"Il y a des gens qui auront une cruche de cinq gallons, et ils iront à Delano, qui est à 15 miles d'ici, pour acheter de l'eau", a déclaré Hutson.

L'APA a été présentée pour la première fois à Gadgil par Tom Tomich, professeur émérite de science et politique du développement durable à l'Université de Californie à Davis, qui a visité Allensworth avec un groupe d'autres éducateurs et philanthropes en 2017.

"Mon beau-frère, Kayode Kadara [a dit], 'Il y a une chose que vous pouvez faire pour nous - connaissez-vous quelqu'un qui peut extraire l'arsenic de l'eau?'", A déclaré Hutson. "[Dr. Tomich] nous a contactés environ un mois, un mois et demi plus tard, et le Dr Gadgil était au téléphone, et nous avons parlé et l'avons persuadé de venir à Allensworth et d'utiliser sa technologie. Nous avons eu une relation merveilleuse jamais depuis."

De l'Inde à la Californie

Depuis plus de 15 ans, Gadgil et son équipe développent des systèmes de traitement de l'arsenic à faible coût pour fournir de l'eau salubre aux communautés rurales. Depuis 2016, leur première station d'épuration, dans un lycée à l'extérieur de Kolkata, en Inde, a fourni de l'eau potable à un prix abordable à 3 000 étudiants et membres de la communauté locale. L'usine a été construite grâce à une subvention de l'Indo-U.S. Forum sur la science et la technologie, et en collaboration avec l'Université de Jadavpur et un licencié industriel indien de la technologie de Gadgil. Le titulaire de la licence industrielle a construit et exploite actuellement une deuxième usine de traitement en Inde.

« La [technologie] que nous avons conçue pour l'Inde, près du Bangladesh, est très efficace, mais lente, peu coûteuse et relativement exigeante en main-d'œuvre; elle convient bien aux pauvres ruraux indiens », a déclaré Gadgil. "Là-bas, la concentration d'arsenic dans les eaux souterraines est de 250 parties par milliard, et nous la ramenons à 3 parties [par milliard], et pourtant ils peuvent se le permettre car cela leur coûte 0,8 centime le litre et fournit également des emplois locaux."

Alors que l'est de l'Inde et le Bangladesh ont certains des niveaux les plus élevés de contamination des eaux souterraines par l'arsenic au monde, d'autres points chauds apparaissent dans le monde, y compris aux États-Unis. Ici, les grandes municipalités peuvent utiliser un processus appelé osmose inverse pour éliminer l'arsenic et d'autres contaminants des eaux souterraines. . Cependant, ce processus nécessite à la fois une installation coûteuse et un personnel qualifié pour le faire fonctionner, ce qui peut être un obstacle pour les communautés rurales ou pauvres.

À titre d'exemple, Gadgil cite la communauté non constituée en société de Lanare, à 60 miles au nord-ouest d'Allensworth, qui a utilisé un financement de l'État et du gouvernement pour construire une installation de traitement de l'arsenic en 2007. Six mois plus tard, la communauté a été forcée de fermer l'installation parce qu'elle pourrait pas les moyens de payer les frais d'entretien courants. Enfin, en 2019, l'État a fourni 4 millions de dollars supplémentaires pour forer davantage de puits afin que la communauté puisse à nouveau avoir de l'eau potable.

"Nous devons appliquer nos connaissances en ingénierie et notre créativité pour trouver des solutions perturbatrices, qui ne suivent pas ce modèle où les coûts par personne ne cessent d'augmenter moins vous avez de personnes", a déclaré Gadgil.

En 2014, après avoir passé deux ans à tester sur le terrain le système de traitement de l'arsenic en Inde, l'actuelle chercheuse postdoctorale de l'UC Berkeley, Siva Bandaru, a quitté l'Inde pour la Californie pour aider Gadgil à déterminer si la technologie pouvait également aider à fournir de l'eau potable aux communautés rurales de la vallée centrale. Équipé d'une version miniature du système de traitement de l'arsenic qui était monté sur roues pour une portabilité accrue, Bandaru a parcouru l'État pour tester le système sur des eaux souterraines californiennes contaminées par l'arsenic.

"Partout où nous sommes allés, nous avons constaté que cette technologie élimine l'arsenic", a déclaré Bandaru, qui a obtenu un doctorat. dans le laboratoire de Gadgil en 2020 avant de poursuivre en tant que chercheur postdoctoral. "Mais nous avons également identifié des défis majeurs pour amener la technologie de l'Inde en Californie."

Premièrement, parce que la consommation d'eau aux États-Unis est beaucoup plus élevée qu'en Inde, la technologie devrait être capable d'éliminer l'arsenic de l'eau à un rythme beaucoup plus rapide, sans aucune perte de performance. Deuxièmement, pour maintenir les coûts bas, la technologie devrait également pouvoir fonctionner pendant de longues périodes avec très peu d'intervention humaine.

Peu de temps après que Bandaru a rejoint le laboratoire de Gadgil en tant qu'étudiant diplômé en 2016, l'équipe a eu une idée qui pourrait résoudre ces deux problèmes et potentiellement rendre le système de traitement viable dans la Californie rurale.

Le problème de la rouille verte

La technologie originale de traitement de l'arsenic de Gadgil, appelée Electrochemical Arsenic Remediation (ECAR), est basée sur les mêmes types de réactions électrochimiques qui alimentent une batterie. Chaque réacteur électrochimique est constitué de deux plaques d'acier, une anode et une cathode, qui sont immergées dans l'eau. Faire passer un courant à travers ces plaques d'acier libère les ions de fer, qui réagissent avec l'arsenic et l'oxygène dissous pour former de l'oxyde de fer, également appelé rouille, et de l'arsenic (V), une forme oxydée de l'élément qui est plus facile à éliminer de l'eau. L'arsenic (V) adhère à la rouille et les deux peuvent être facilement filtrés.

Le système ECAR fonctionnant en Inde est peu coûteux, très efficace et ne produit qu'une quantité minime de déchets - environ un tiers de tasse de boues par personne et par an. Cependant, il présente certains inconvénients. Le processus est relativement lent, prenant environ 100 minutes pour nettoyer 1 000 litres d'eau. Et lorsque le système fonctionne en continu, des impuretés et de la rouille peuvent s'accumuler à la surface de chacune des 32 plaques d'acier de 1 mètre sur 1 mètre, empêchant les ions de fer nécessaires de pénétrer dans l'eau.

"En Inde, en ce moment, nous avons un opérateur qui nettoie les assiettes à la fin de chaque journée", a déclaré Bandaru. "Nous ne pouvons pas nous permettre d'avoir cela en Californie car les coûts de main-d'œuvre sont élevés, et nous voulons que cette technologie soit si bon marché que les petites communautés à faible revenu puissent se le permettre."

L'équipe a découvert que faire passer des courants plus élevés à travers les plaques peut accélérer la réaction et empêcher l'accumulation d'impuretés sur les électrodes. Cependant, cela peut également déclencher d'autres problèmes, notamment le problème de la rouille verte.

Lorsque le nombre d'ions de fer dans l'eau commence à dépasser le nombre de molécules d'oxygène dissous, les ions de fer peuvent commencer à s'agglutiner pour former un complexe d'oxyde appelé rouille verte, qui, contrairement à la rouille orange, peut en fait entraver la réaction d'élimination de l'arsenic. Étant donné que les nouvelles molécules d'oxygène ne peuvent pénétrer dans l'eau qu'en se diffusant lentement depuis l'atmosphère, le pompage de courants plus élevés à travers le système ECAR peut rapidement créer trop d'ions de fer et de rouille verte.

La percée de Bandaru est venue sous la forme d'une technologie appelée cathode à air. Les cathodes à air captent l'oxygène de l'air et le réduisent pour créer et libérer du peroxyde d'hydrogène dans l'eau, qui peut jouer un rôle encore plus puissant que l'oxygène dissous dans la réaction d'élimination de l'arsenic ECAR. En associant une anode en acier à une cathode à air, chaque ion de fer produit par l'anode en acier est instantanément associé à une molécule de peroxyde d'hydrogène produite par la cathode à air. En conséquence, la réaction n'est plus limitée par la faible vitesse de diffusion de l'oxygène.

"Maintenant, nous ne comptons plus sur l'oxygène diffusé depuis l'atmosphère", a déclaré Bandaru. "Même si vous faites fonctionner le système à des densités de courant très élevées, vous créez un nombre égal de molécules de peroxyde d'hydrogène en tant qu'ions de fer, vous n'avez donc aucun problème d'accumulation de fer en excès."

La nouvelle technologie, que l'équipe a nommée Air Cathode Assisted Iron Electrocoagulation (ACAIE), peut éliminer l'arsenic de l'eau 5 000 fois plus rapidement qu'ECAR et peut fonctionner en continu avec très peu d'entretien. Pour garantir la sécurité électrique et limiter les coûts d'équipement, l'essai sur le terrain actuel de l'ACAIE à Allensworth ne fonctionne que 200 fois plus rapidement que l'ECAR.

Au cours de l'été 2019, alors que le système ACAIE était encore en développement, Sara Glade, ancienne étudiante diplômée de l'UC Berkeley, a dirigé le premier essai sur le terrain de la technologie d'élimination de l'arsenic à Allensworth. L'équipe a exploité une version miniature de 100 litres du système ECAR dans une cabane exiguë et étouffante de la ferme de Hutson. Au cours de la dernière semaine de l'essai, l'équipe a montré qu'une version modifiée du système ECAR, qui utilisait du peroxyde d'hydrogène ajouté pour conduire la réaction, pouvait également éliminer l'arsenic de l'eau d'Allensworth.

En mai de cette année, après des retards causés par la pandémie de COVID-19, l'équipe a lancé l'essai complet sur le terrain d'ACAIE sur la ferme de Hutson avec le soutien de fonds de l'État de Californie. Les chercheurs collaborent également avec Winston Tseng, professeur à l'école de santé publique de l'UC Berkeley, pour développer du matériel de sensibilisation afin de communiquer les dangers de l'arsenic à la communauté locale.

"C'est un processus vraiment passionnant, amener la technologie du laboratoire au terrain, puis travailler avec la communauté et développer une relation avec elle", a déclaré Bandaru. "Ça marche vraiment bien."

Un avenir pour l'approvisionnement en eau de la Californie

Le nouveau système de traitement de l'eau à l'arsenic comprend cinq réacteurs ACAIE suivis d'une série d'étapes de filtration pour éliminer la rouille chargée d'arsenic. Depuis début juin, le système traite environ 600 litres par heure, ou 3 gallons par minute, d'eau du puits de Hutson. Toutes les heures, un membre de l'équipe de Gadgil prélève un échantillon de l'eau traitée et l'apporte à un hangar voisin, où il est testé pour l'arsenic et d'autres mesures de la qualité de l'eau.

"Je pense que les petites communautés, principalement rurales, sont celles où cette technologie pourrait vraiment briller", a déclaré Smesrud. "Même à l'échelle à laquelle il est construit actuellement, notre système de traitement produit suffisamment d'eau pour fournir de l'eau potable à une ville de la taille d'Allensworth. Mais... il peut être étendu."

L'eau qui en ressort contient moins de 10 ppb d'arsenic et respecte les normes d'eau potable en matière de turbidité et de clarté. Cependant, comme le système n'est pas encore approuvé par la California Environmental Protection Agency ou le California State Water Resources Control Board pour le traitement de l'eau potable, toute l'eau traitée par le système doit être jetée.

De plus, l'eau souterraine du puits de Hutson a une forte teneur en sel, donc une étape de dessalement supplémentaire serait nécessaire pour la rendre potable. Cependant, Gadgil a déclaré qu'il existe des milliers d'autres puits en Californie qui ont une bonne eau potable, à l'exception de l'arsenic, et où le système pourrait être mis en œuvre sans cette étape de traitement supplémentaire.

L'essai sur le terrain dispose d'un financement pour fonctionner jusqu'à la fin de l'année, après quoi l'équipe de Gadgil déconstruira soigneusement le système de traitement et remettra les terres de la ferme de Hutson dans leur état d'origine. La prochaine étape du projet consistera à rendre le système presque entièrement automatisé, avec un mécanisme « marche/arrêt » facile et un contrôle de processus automatique interne qui permettra de le surveiller et de le faire fonctionner à distance. Idéalement, un tel système ne nécessiterait qu'environ deux heures de travail par semaine, ce qui ramènerait le coût de production de l'eau potable en dessous de celui de l'eau en bouteille, a déclaré Gadgil.

Si un tel système devient une réalité, Kadara envisage qu'il pourrait être utilisé pour éliminer l'arsenic résiduel de l'eau qui est actuellement pompée à partir de puits à l'extérieur de la communauté, garantissant que tout le monde à Allensworth est exposé à aussi peu d'arsenic que possible, même si le climat le changement menace l'avenir de l'approvisionnement en eau.

"Alors que nous faisons face à la sécheresse, nous avons vu les nappes phréatiques baisser - et lorsque vous avez des nappes phréatiques qui baissent, vous avez une augmentation de l'arsenic. … Donc, si nous avons un processus qui nous permet d'utiliser cette eau pour boire et d'autres eaux potables utiliser, il est dans notre intérêt de poursuivre [cela] », a déclaré Kadara. "Nous espérons que ce processus finira par être un modèle pour des communautés comme la nôtre ici dans l'État et à travers le monde." + Explorer plus loin

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