将砷安全的饮用水带到加州农村

摘要 据牧师丹尼斯·赫特森(Rev DennisHutson)说,人们过去喜欢艾伦斯沃思水的味道。人们过去常常说,‘哇,这是我喝过的最好的水!’

据牧师丹尼斯·赫特森(Rev.DennisHutson)说,人们过去喜欢艾伦斯沃思水的味道。“人们过去常常说,‘哇,这是我喝过的最好的水!’”在中央山谷小社区拥有一个农场的赫特森说。“甚至有游客把一加仑的水罐带回家,因为他们觉得味道很好。”

现在,这个历史悠久的黑人社区的许多居民都知道,从他们镇上的井里喝水是不安全的。

与整个加利福尼亚州的许多地区一样,艾伦斯沃思地下的地下水含有危险水平的砷,这是一种高度致癌的元素,可以从土壤和基岩中的沉积物渗入地下水位。虽然城市和较大的城市有能力从水中去除砷,但许多生活在小型和农村社区的人被迫在饮用受污染的自来水或购买瓶装水之间做出选择——那些拥有私人水井的人甚至可能不知道他们的水是不安全的.

加州大学伯克利分校的工程师与Hutson和其他Allensworth社区领袖合作,目前正在现场测试一种简单且低成本的新型砷处理系统,该系统旨在帮助Allensworth等小型农村社区获得砷安全的饮用水.

自6月初以来,该系统(位于Hutson农场的一个小灰棚内)一直在从Hutson的农业井中抽取地下水,并将其砷含量从剧毒的十亿分之250(ppb)降至远低于环境保护署(EPA)的水平。)限制为10ppb。如果现场测试继续成功,该团队希望获得资金在中央山谷启动试点工厂。

加州大学伯克利分校土木与环境工程教授、劳伦斯伯克利国家实验室高级教授科学家阿肖克·加吉尔说:“加州估计有300,000人的饮用水中砷浓度超过10ppb。”“我们将第一次以当地人能够负担得起的价格并以他们可以操作的方式处理含有高浓度砷的地下水。”

由于气候变化导致的干旱和极端高温限制了加州地表水的供应,越来越多的城市将依赖可能被砷污染的地下水源——这些地下水上层含水层的枯竭可能需要进入更古老、更深的含水层更受污染。一个负担得起的砷处理系统可以为农村社区提供安全和可持续的水源,同时限制从其他地方装瓶和运输水所涉及的温室气体排放。

“许多地下水砷含量高的社区不得不求助于其他解决方案,例如从附近的城镇取水……甚至不将当地的水视为饮用水的选择,”高级研发人员LoganSmesrud说Gadgil实验室的工程师。“这个项目正在重新定义我们可以用来喝水的东西。”

对于Hutson来说,创造安全可靠的饮用水源将是帮助Allensworth(加利福尼亚州第一个由非裔美国人建立的城镇)成长为一个自给自足和繁荣的社区的关键。

“我希望艾伦斯沃思作为一个专注于可持续、可再生、有机农业的农业社区蓬勃发展,”赫特森说。“我们需要饮用水,不仅要生存,还要茁壮成长。”

为历史名城打造未来

Sun-bakedAllensworth位于贝克斯菲尔德以北约45英里处,位于约库特人的祖传土地上。该社区最初由艾伦艾伦斯沃思上校于1908年创立,艾伦艾伦斯沃思上校是一名非洲裔美国人,他逃脱了奴隶制,成为一名牧师和美国陆军最高级别的黑人军官。

“艾伦斯沃思上校和一群人来建立了艾伦斯沃思这个社区......以自治为前提,”赫特森说。“他们想要安全。他们想要自给自足。这个小镇因此而繁荣起来。”

在1910年代,该社区发展成为一个拥有200多人的繁华小镇,拥有自己的学区、投票区和各种小企业。但随着世纪的流逝,一系列经济挫折——包括缺乏足够的灌溉水——导致了它的缓慢衰退。到本世纪中叶,人口减少到几乎为零。

自1970年代以来,社区领袖一直在为保持艾伦斯沃思的遗产而奋斗,人口也慢慢回升。艾伦斯沃思现在是大约600人的家,其中大多数人是拉丁裔并受雇于农场工人。

Association(APA)的成员,该组织致力于改善社区居民的生活质量。Kadara说,APA正在努力改善该镇的供水基础设施和下水道系统,建造更多的住房并增加健康食品的供应。但获得安全饮用水仍然是一个核心挑战。

Kadara说:“几乎你在该地区的任何地方,如果他们依赖地下水供家庭使用,砷就是主要污染物之一。”“在我们这里,这是我们的主要污染物。”

为了使Allensworth的自来水符合EPA对砷污染的限制,Kadara说社区服务区从位于城市以东3英里处的两口井取水,那里的砷含量接近10ppb。通过混合这两个来源的水,该地区通常可以将砷含量降低到EPA限值以下,但仍会出现超标情况。由于水井位于牧场附近,水有时也会被细菌污染,居民必须在饮用前将自来水煮沸。

结果,许多居民选择喝瓶装水或开车到邻近的城镇在水亭加满水罐。这给已经在努力维持生计的家庭带来了额外的经济负担。

“有些人会有一个5加仑的水罐,他们会去距离这里15英里的德拉诺去买水,”赫特森说。

APA最初是由加州大学戴维斯分校可持续发展科学与政策杰出教授TomTomich介绍给Gadgil,他于2017年与其他教育工作者和慈善家一起访问了Allensworth。

“我的姐夫KayodeKadara[说],‘你可以为我们做一件事——你知道有谁可以从水中去除砷吗?’”Hutson说。“[Tomich博士]大约一个月、一个半月后联系了我们,Gadgil博士在电话中,我们交谈并说服他来艾伦斯沃思并使用他的技术。我们的关系一直很好自从。”

从到加利福尼亚

15多年来,Gadgil和他的团队一直在开发低成本的砷处理系统,为农村社区提供安全的用水。自2016年以来,他们在加尔各答郊外的一所高中开设的第一座污水处理厂为3,000名学生和当地社区成员提供了负担得起的安全饮用水。该工厂是在印美科学技术论坛的赠款资助下建造的,并与Jadavpur大学和Gadgil技术的工业许可证持有者合作。工业持牌人已在建造并运营第二家处理厂。

“我们为靠近孟加拉国的设计的[技术]非常有效,但速度慢、成本低且相对劳动密集型;它非常适合农村贫困人口,”Gadgil说。“在那里,地下水中的砷浓度为十亿分之250,我们将其降低到[十亿分之三],但他们仍然可以负担得起,因为每升0.8美分的成本也为当地提供了就业机会。”

虽然东部和孟加拉国的地下水砷污染程度居世界之首,但全球出现了其他热点,包括美国在内。在这里,较大的城市可以使用一种称为反渗透的工艺去除地下水中的砷和其他污染物.然而,这个过程需要昂贵的设施和训练有素的员工来运行,这两者都可能成为农村或贫困社区的障碍。

例如,Gadgil提到了位于Allensworth西北60英里的Lanare非法人社区,该社区在2007年利用州和政府的资金建造了一座砷处理设施。六个月后,该社区被迫关闭了该设施,因为它可以负担不起持续的维护费用。最终在2019年,该州额外提供了400万美元用于钻探更多的钻孔,以便社区能够再次获得安全的饮用水。

“我们需要运用我们的工程知识和创造力来寻找具有破坏性的解决方案,而不是遵循这种模式,即人均成本只会随着人数的减少而不断上升,”加德吉尔说。

2014年,在对的砷处理系统进行了两年现场测试后,现任加州大学伯克利分校博士后研究员SivaBandaru从搬到加利福尼亚,帮助Gadgil确定该技术是否也有助于为中央山谷农村社区提供清洁水。为了增加便携性,Bandaru配备了微型版的砷处理系统,该系统安装在轮子上以增加便携性,他在全州各地旅行,在受砷污染的加利福尼亚地下水中测试该系统。

“无论我们走到哪里,我们都发现这项技术可以去除砷,”完成博士学位的班达鲁说。2020年在Gadgil的实验室工作,然后继续担任博士后研究员。“但我们也发现了将技术从带到加利福尼亚的一些主要挑战。”

首先,由于美国的用水量远高于,因此该技术需要能够以更快的速度从水中去除砷,而不会损失任何性能。其次,为了保持低成本,该技术还需要能够在很少人为干预的情况下长时间运行。

Bandaru于2016年作为研究生加入Gadgil实验室后不久,该团队提出了一个可以解决这两个问题的想法,并有可能使治疗系统在加利福尼亚农村地区可行。

绿锈问题

Gadgil的原创砷处理技术,称为电化学砷修复(ECAR),基于为电池供电的相同类型的电化学反应。每个电化学反应器由两块钢板组成,一个阳极和一个阴极,它们浸入水中。在这些钢板上运行电流会释放铁离子,铁离子会与砷和溶解氧反应形成氧化铁(也称为铁锈)和砷(V),这是一种更容易从水中去除的元素的氧化形式。砷(V)粘在铁锈上,两者都可以轻松滤除。

在运行的ECAR系统价格低廉、效率高,并且只产生极少量的废物——每人每年大约产生三分之一杯污泥。但是,它确实有一些缺点。这个过程相对缓慢,大约需要100分钟才能清洁1,000升水。并且当系统持续运行时,杂质和铁锈会聚集在32个1米乘1米的钢板表面上,从而阻止必要的铁离子进入水中。

“现在在,我们有一名操作员在每天结束时清洁盘子,”班达鲁说。“我们在加利福尼亚买不起,因为劳动力成本很高,我们希望这项技术如此便宜,以至于小型低收入社区能够负担得起。”

研究小组发现,通过电极板运行更高的电流可以加速反应并防止电极上的杂质堆积。然而,它也可能引发其他问题——特别是绿锈问题。

当水中的铁离子数量开始超过溶解氧分子的数量时,铁离子会开始聚集在一起形成一种称为绿锈的氧化物复合物,这与橙锈不同,实际上会阻碍除砷反应。由于新的氧分子只能通过从大气中缓慢扩散进入水中,因此通过ECAR系统泵送更高的电流会迅速产生过多的铁离子和绿锈。

Bandaru的突破来自于一种称为空气阴极的技术。空气阴极从空气中吸收氧气并将其还原,从而在水中产生和释放过氧化氢,这比溶解氧在ECAR砷去除反应中的作用更强大。通过将钢阳极与空气阴极配对,钢阳极产生的每个铁离子都会立即与空气阴极产生的过氧化氢分子相匹配。因此,反应不再受氧扩散速度缓慢的限制。

“现在,我们不再依赖从大气中扩散的氧气,”班达鲁说。“即使你在非常高的电流密度下运行系统,你也会产生与铁离子相同数量的过氧化氢分子,所以你不会有任何铁积累的问题。”

这项被团队命名为空气阴极辅助铁电凝(ACAIE)的新技术可以比ECAR快5,000倍地从水中去除砷,并且可以在很少维护的情况下持续运行。为确保电气安全并限制设备成本,目前在Allensworth进行的ACAIE现场试验的运行速度仅比ECAR快200倍。

2019年夏天,当ACAIE系统仍在开发中时,前加州大学伯克利分校研究生SaraGlade在Allensworth领导了第一次除砷技术的现场试验。该团队在Hutson农场的一个狭窄闷热的棚屋中操作了一个100升的微型ECAR系统。在试验的最后一周,研究小组展示了ECAR系统的改进版本,该系统使用添加的过氧化氢来驱动反应,也可以从Allensworth的水中去除砷。

今年5月,在大流行造成的延误之后,该团队在加利福尼亚州的资金支持下,在Hutson的农场启动了ACAIE的全面现场试验。研究人员还与加州大学伯克利分校公共卫生学院教授WinstonTseng合作开发宣传材料,向当地社区宣传砷的危害。

“这是一个非常令人兴奋的过程,将技术从实验室带到现场,然后与社区合作并与他们建立关系,”班达鲁说。“它运作得非常好。”

加州供水的未来

新的砷水处理系统由五个ACAIE反应器组成,随后是一系列过滤步骤以去除含砷的铁锈。自6月初以来,该系统每小时处理大约600升(或每分钟3加仑)来自Hutson井的水。每小时,Gadgil团队的一名成员都会收集处理过的水样本并将其带到附近的棚屋,在那里进行砷和其他水质指标的测试。

Smesrud说:“我认为,这项技术真正可以大放异彩的地方是小型的、主要是农村社区。”“即使以现在的规模,我们的处理系统也能生产足够的水来为艾伦斯沃思大小的城镇供应饮用水。但是……它可以扩大规模。”

出水的砷含量低于10ppb,符合饮用水的浊度和清澈度标准。然而,由于该系统尚未获得加利福尼亚环境保护署或加利福尼亚州水资源控制委员会用于饮用水处理的批准,因此该系统处理的所有水都必须丢弃。

此外,Hutson井的地下水含盐量高,因此需要额外的脱盐步骤才能使其饮用。然而,Gadgil说,除了砷之外,加利福尼亚还有成千上万的其他水井有良好的饮用水,并且无需额外的处理步骤就可以实施该系统。

田间试验的资金将持续到年底,之后加德吉尔的团队将仔细解构处理系统,并将赫特森农场的土地恢复原状。该项目的下一步将是使系统几乎完全自动化,具有简单的“开/关”机制和内部自动过程控制,允许对其进行远程监控和操作。Gadgil说,理想情况下,这样的系统每周只需要大约两个小时的劳动,从而使生产饮用水的成本低于瓶装水的成本。

如果这样的系统成为现实,Kadara设想它可以用来从目前从社区外的井中抽水的水中去除残留的砷,确保艾伦斯沃思的每个人都尽可能少地接触砷,即使气候变化威胁着供水的未来。

“当我们应对干旱时,我们已经看到地下水位下降——当地下水位下降时,砷含量就会增加。……所以,如果我们有一个流程可以让我们将这些水用于饮用水和其他饮用水使用,追求[that]符合我们的最大利益,”Kadara说。“我们希望这个过程最终成为像我们这样的社区在该州和世界各地的典范。”

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