从污泥到土壤改良剂：智利鲑鱼加工废水处理中电子束技术的经济可行性评估

《Radiation Physics and Chemistry》：From sludge to soil improver: Techno-Economic evaluation of electron-beam treatment in Chile's salmon-processing wastewater sector

电子束辐照处理技术经济性评估显示，规模化应用可使鲑鱼加工污泥处理成本降至0.23美元/立方米，投资回收期6.8年，有效杀灭致病菌并满足环保标准。

　　

Nelson Barrientos|Enrico Mazzoli|Celina Horak

Microal SpA.实验室，9480000，Pirque，智利大都会地区

摘要

来自鲑鱼加工废水的污泥富含有机物、氮和磷，具有农业再利用的潜力。然而，这一潜力受到病原体存在和相关法规要求的限制。传统的稳定化方法可能无法始终达到生物固体再利用所需的卫生标准。本研究评估了电子束辐照（一种通过微生物DNA损伤和辐射氧化进行消毒的离子化辐射形式）在处理鲑鱼加工残渣的废水设施中的技术经济可行性。

评估了三种处理方案：(i) 基线方案，处理量为2000立方米/天；(ii) 基线方案加电子束辐照，对污泥施加2千戈瑞（kGy）的剂量；(iii) 扩大规模的电子束辐照系统，处理量为10,000立方米/天。根据伽马辐照实验的剂量-反应数据，2千戈瑞的电子束辐照剂量预计可将微生物浓度从2.5×10^4 CFU/g总固体降低到≤2.5×10^2 CFU/g总固体，符合智利的生物固体再利用标准。

基线加电子束辐照方案的总单位成本为0.51美元/立方米，平均污泥处理成本为117美元/立方米，15年内无法收回投资。相比之下，扩大规模的系统总单位成本为0.23美元/立方米，平均处理成本为46美元/立方米，投资回收期为6.8年。敏感性分析表明，在污泥再利用信用度合理变化的情况下，其经济可行性仍然稳健。

引言

智利的鲑鱼产业是世界上最具有活力和全球一体化程度的食品生产系统之一，包括水产养殖作业和广泛的副产品加工活动，如鱼粉和鱼油生产。作为仅次于挪威的第二大养殖鲑鱼生产国，鲑鱼已成为智利仅次于铜的第二大出口商品（FAO, 2023；Norwegian Seafood Council, 2023；SalmonChile, 2024；Ceballos-Concha等, 2025）。生产主要集中在Los Lagos、Aysén和Magallanes等南部地区，其中以Salmo salar为主。这一工业生态系统包括陆基孵化场、海洋养殖场和加工厂。这些加工厂利用鲑鱼加工残渣生产副产品，并配备独立的废水处理系统，产生大量污泥。虽然这种工业增长增强了智利的经济地位，但也加剧了人们对生产链中环境可持续性、生物安全和废物管理的担忧（Marín等, 2025；Reiche等, 2025）。

根据国家估计，智利的鲑鱼养殖业每生产一吨鲑鱼会产生大约1.4吨湿污泥，具体数值取决于固体含量和工艺配置（BCN, 2023）。2023年，全国鲑鱼捕捞量达到109万吨（Consejo del Salmón, 2023），表明总污泥产量可能超过了150万吨。这些污泥通常富含有机物、脂质和蛋白质，在处理、稳定化和再利用方面面临重大挑战，尤其是在可靠地灭活病原体方面。另一个问题是兽用抗生素残留物的积累，特别是在智利鲑鱼养殖中广泛使用的氟苯尼考和氧四环素。2023年，该行业使用了338.9吨活性抗菌成分，主要应用于海洋和淡水生产阶段（Servicio Nacional de Pesca y Acuicultura, 2024a）。虽然部分化合物被鱼类代谢，但仍有部分可能通过排泄或残留物形式存在于污泥中。在鱼粉和副产品制造过程中，这些化合物可能进入废水系统并在污泥中积累，具体取决于其化学稳定性和对固体的亲和力。

污泥中的抗生素残留物及其转化产物与更广泛的环境和公共卫生问题有关，包括抗菌素耐药性基因（ARGs）在水产养殖系统中的传播（Deng等, 2025）。在传统的污泥处理过程中，如厌氧消化、堆肥或石灰稳定化中，ARGs可能会持续存在甚至增殖（Liu等, 2025；Miao等, 2025；Pillay等, 2025）。在中温或高温厌氧消化中，病原体减少往往不完全，ARGs的衰减程度变化很大（Pourrostami Niavol等, 2024；Sassi等, 2025）。堆肥系统可能因温度和氧气分布不均而使可存活但不可培养（VBNC）的细菌和ARGs持续存在或反弹（Tan等, 2023；Basil等, 2024）。石灰稳定化在储存过程中可能因pH值下降、混合不完全或暴露于二氧化碳和有机酸而效果减弱，降低处理效果并允许微生物存活（EPA, 2000；Zhang等, 2025）。紫外线（UV）消毒在水产养殖系统中应用广泛，但在高浊度或有机物含量高的条件下效果有限，因为悬浮固体和溶解有机物会屏蔽微生物免受辐射（Metcalf & Eddy, 2014；EPA, 2022）。这些限制凸显了需要能够在密集、异质污泥基质中有效运行的强大消毒技术，以确保生物固体再利用的合规性。

电子束（EB）辐照作为一种先进的废水和污泥处理方法显示出巨大潜力。作为一种离子化辐射形式，EB通过直接分子损伤和辐射氧化过程灭活微生物，无需化学试剂（IAEA, 2008；Trojanowicz等, 2017；Chmielewski和Sudlitz, 2019；Chmielewski等, 2025）。先前的研究已经证明了EB在微生物灭活和水系统中通过辐射氧化机制降解抗生素化合物的有效性（Oprunenko等, 2025；Song等, 2025）。离子化辐射还被证明会影响活性污泥基质中的抗生素降解，其去除效率取决于吸附亲和力和基质相互作用（Siwek和Edgecock, 2020；Chu和Wang, 2023）。这些发现表明，抗生素降解和ARGs衰减可能是EB处理的潜在附加效益；然而，这些效果尚未在高固体含量的鲑鱼加工污泥系统中得到验证。尽管迄今为止的大多数应用都集中在废水处理的高级氧化上，但现在对EB消毒的兴趣日益增加，尤其是在生物固体管理方面。然而，EB系统资本密集，其经济可行性高度依赖于处理规模、污泥特性和能源需求。高固体含量的污泥流，如鲑鱼加工设施产生的污泥，带来了与剂量传递、渗透深度和吞吐量相关的额外运营限制，这些因素直接影响系统成本结构。尽管该技术具有技术潜力，但针对智利鲑鱼加工废水行业典型的高有机物负荷污泥的全面技术经济评估仍然很少。

本研究通过评估EB辐照作为智利鲑鱼加工废水领域污泥处理先进消毒方法的经济可行性来填补这一空白。分析重点是一个代表性的废水处理厂，该厂处理来自鱼粉和副产品制造的鲑鱼残渣废水。选择总异养菌落形成单位（total heterotrophic CFU·g^-1 TS）作为主要分析指标，因为它具有法规相关性，并符合智利标准NCh2880/2015对生物固体再利用的要求。评估了三种处理方案：(i) 反映当前行业实践的基线方案；(ii) 基线方案加电子束辐照；(iii) 扩大容量的EB系统，以评估规模对成本和性能的影响。通过比较这些方案，研究评估了EB是否能够在保持经济竞争力的同时实现合规的污泥卫生处理，为未来在拉丁美洲海鲜加工废水系统中的试点验证提供了基础。本研究仅关注微生物卫生处理和技术经济可行性，未对抗生素降解和ARGs衰减进行实验评估。

研究范围、性质和数据来源

本研究对电子束辐照在鲑鱼加工废水系统中用于污泥卫生的技术经济评估进行了理论分析（TEA）。尽管该分析是概念性的，但包括污泥固体含量、微生物浓度和辐射剂量在内的几个关键输入参数是根据实际测量数据获得的，以提供现实的建模边界条件。污泥表征遵循智利标准NCh2880/2015（INN, 2015），使用总异养细菌进行。

工艺配置和运营输出

三种评估的处理方案——基线、基线加电子束辐照和扩大规模的电子束辐照——在图1中进行了总结。基线系统处理2000立方米/天的废水，产生平均4.5吨/天的污泥（20%总固体），初始微生物负荷为2.5×10^4 CFU/g总固体。该方案未采用消毒步骤。在基线加电子束辐照方案中，相同的废水流量产生了等量的污泥，模拟应用2千戈瑞的电子束辐照后，

讨论

研究结果表明，电子束辐照作为鲑鱼加工废水系统的先进污泥卫生处理方法具有巨大潜力，在模拟条件下，2千戈瑞的吸收剂量下可实现≥2-log的微生物减少。这一性能与已建立的离子化辐射剂量-反应关系一致，其中微生物灭活通过直接DNA损伤和间接辐射途径实现（IAEA, 2008；Trojanowicz等, 2017；

结论

本研究评估了电子束辐照在鲑鱼加工废水系统中用于污泥卫生的技术性能和经济可行性。根据伽马辐照实验获得的剂量-反应数据，2千戈瑞的电子束辐照剂量预计至少可实现总异养细菌减少两个对数单位，满足智利生物固体标准中<1000 CFU/g总固体的要求。这些结果表明，电子束辐照可以

作者贡献声明

Nelson Barrientos：撰写——初稿撰写、项目管理、研究调查、资金获取、数据分析、概念化。Enrico Mazzoli：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。Celina Horak：验证、概念化。

手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用ChatGPT（OpenAI）协助语法改进、提高清晰度并重构选定的段落。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资助

本研究得到了Corporación de Fomento de la Producción（CORFO）的资助，项目编号为24CH-272237，“开发创新的可持续鲑鱼养殖废水处理解决方案”，以及IAEA区域项目RLA1023——“加强使用辐射技术进行废水处理的技术能力（ARCAL CXCI）”的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢CORFO项目“开发创新的可持续鲑鱼养殖废水处理解决方案”（项目编号24CH-272237）的财政支持，该项目使这项研究成为可能。作者还感谢IAEA区域项目RLA1023——“加强使用辐射技术进行废水处理的技术能力（ARCAL CXCI）”在技术合作和知识交流方面的支持，特别感谢Bum Soo。