Irradiación con haz de electrones para tratar los lodos generados en plantas de salmón
Una tecnología basada en radiación podría transformar los lodos de la salmonicultura en un recurso agrícola seguro y reducir los costos operativos de la industria a gran escala.
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El lodo generado en el tratamiento de aguas residuales de la industria del salmón en Chile es rico en materia orgánica, nitrógeno y fósforo, lo que lo hace potencialmente reutilizable en la agricultura. Sin embargo, la presencia de patógenos y las exigencias regulatorias limitan esta reutilización. Los métodos convencionales de estabilización no siempre cumplen con los niveles de higienización necesarios para la reutilización segura de biosólidos.
Un equipo conformado por científicos de Chile, Italia y Austria evaluaron la factibilidad técnico-económica de la irradiación con haz de electrones (EB), que inactiva microorganismos mediante daño al ADN y oxidación radiolítica, para el tratamiento de estos lodos en una planta de procesos.
Origen y disposición de lodos
Se estima que la salmonicultura chilena produce alrededor de 1,4 toneladas de lodo por tonelada de salmón producido, calculándose sobre los 1,5 millones de toneladas anuales. Estos lodos suelen ser ricos en materia orgánica, lípidos y proteínas, y al mismo tiempo, concentran preocupaciones con respecto a la cantidad de patógenos y residuos farmacológicos veterinarios y sus potenciales efectos ambientales y de salud pública.
Sistemas convencionales de tratamiento de lodos como la digestión anaerobia, el compostaje, la estabilización con cal y la desinfección con luz ultravioleta, a menudo no eliminan de manera confiable patógenos ni los genes de resistencia a antimicrobianos (ARGs) debido a limitaciones propias de cada proceso, por lo que la necesidad de una técnica capaz de operar más eficientemente en matrices de lodo densas y heterogéneas se hace evidente.
Bajo este contexto, el uso de irradiación de electrones, o EB por las siglas en inglés de Electron-Beam, aparece como una alternativa prometedora. Esta técnica utiliza radiación ionizante para inactivar microorganismos, y potencial degradación de antibióticos (no evaluada en este estudio), mediante daños moleculares y procesos de oxidación radiolítica, sin necesidad de reactivos químicos, pero su viabilidad económica depende fuertemente de la escala del tratamiento, las características del lodo y la demanda energética.
Proceso productivo modelado
El análisis considera plantas típicas de procesamiento de salmón en el sur de Chile, con aproximadamente 60 instalaciones que generan entre 200 y 2000 m³/día de efluentes, de acuerdo con Sernapesca.
El tratamiento convencional incluye cribado, ecualización de flujo y flotación con aire disuelto (DAF), generando lodo rico en materia orgánica y con concentraciones iniciales de microbios en torno a 2.5×10^4 CFU/g sólidos totales.
En la modelación del proceso se evaluaron tres configuraciones de tratamiento:
- Tratamiento base: tratamiento convencional sin EB, tratando 2 mil m³/día y 4,5 t de lodo/día.
- Base + EB: misma escala que el caso base, pero con dosis EB de 2 kGy aplicada al lodo del DAF.
- EB aumentada: sistema escalado a 10 mil m³/día con 22,5 t de lodo/día, aplicando la misma dosis de 2 kGy.
Por las características de penetración del haz de electrones, el lodo a tratar se distribuye en una capa delgada (del orden de milímetros), y se considera una operación de 333 días al año (~8 mil horas) y gastos de mantención equivalentes al 3% del CAPEX anual.
Análisis económico
El TEA incorpora costos de inversión (CAPEX), costos operativos (OPEX), ingresos netos por reutilización del lodo agrícola («crédito de reutilización»), y consumo energético, todos en USD 2025, a su vez que se omiten costos de disposición para escenarios con EB, asumiendo cumplimiento para reutilización.
El análisis incluye también el crédito por reutilización de lodo ($20 USD/t de lodo húmedo), $20 USD/t de lodo húmedo, los indicadores económicos factor de recuperación de capital (8% tasa descuento, 15 años), CAPEX amortizado por m³, costo unitario total (OPEX + amortizado), costo nivelado del tratamiento (LCOT) y periodo de recuperación de la inversión (payback).
Resultados
El tratamiento base procesa aguas residuales (2 mil m³/día) y produce alrededor de 4.5 t/día de lodos con 20% sólidos totales (ST) y carga microbiana de 2,5 × 10^4 UFC/g ST, sin desinfección. Por su lado, el base+EB, redujo la carga microbiana a ≤ 2,5 × 10^2 UFC/g ST, logrando ≥99% de inactivación. Sin embargo, El tratamiento EB Aumentado logró reducir más del 99% de los microorganismos, procesando un mayor volumen (10 mil m³/día), y produciendo ~22,5 t/día de lodos y manteniendo el mismo nivel de desinfección.
En cuanto a costos, el CAPEX de la línea base es de 0,84 M USD, al no incluir la incorporación de EB, lo que se contrasta con la línea base+EB aumentada, la que, al adquirir EB, aumenta a 2,31 M USD. Sin embargo, el OPEX disminuye de 0,15 USD/m³ en la línea base, al incorporar EB aumentado a 0,07 USD/m³ por la eliminación de costos de disposición y los efectos de economía de escalas, a pesar del aumento en costos de electricidad en sistemas con EB.
Los costos unitarios totales y amortización de CAPEX son más bajos con el sistema de EB aumentado, ya que la dilución del costo a gran escala permite tenga costos unitarios inferiores al escenario Base. Así mismo, los ingresos por reutilización de lodos son mayores en el escenario base+EB aumentada, de 149,850 USD por año sobre los 29,970 USD por año, lo que ayuda a compensar parte de los costos anuales operativos y de capital.
A su vez, los costos nivelados de tratamiento (costo promedio descontado de tratar un metro cúbico de lodo durante toda la vida útil del proyecto), son también menores en el escenario base+EB aumentada, de 45,84 USD m³, bajo los 116,69 USD m³ del uso de EB tradicional.
Izq: Detalle de los gastos operativos (OPEX) en las tres líneas modeladas. | Der: Comparación de los costos operativos (OPEX), costo total de unidad, reducción logarítmica de microorganismos en las líneas modeladas. | Imagen: Traducción artículo From sludge to soil improver: Techno-Economic evaluation of electron-beam treatment in Chile's salmon-processing wastewater sector.
Conclusiones
El estudio demuestra que la irradiación con haz de electrones es un método prometedor para la higienización del lodo proveniente de aguas residuales del procesamiento de salmón, logrando una reducción microbiana de al menos 2 log a una dosis absorbida de 2 kGy.
La baja profundidad de penetración del EB requiere acondicionamiento del lodo en capas delgadas, una adaptación factible en instalaciones industriales. El modelo asume conservadoramente la reducción de 2 log para bacterias indicadoras comunes como E. coli y Salmonella spp., aunque organismos o esporas más resistentes podrían necesitar dosis más altas.
Desde el punto de vista económico, si bien la integración de EB es limitada debido a la alta inversión de capital y baja dilución de costos por volumen tratado, al aplicarse a gran escala (10 mil m³/día) se reducen sustancialmente los costos unitarios, alcanzando un costo total de 0,23 USD/m³ y un costo nivelado de aproximadamente 46 USD/m³, con un período de recuperación de la inversión de 6,8 años.
El uso de EB aumentada es entonces técnicamente viable y económicamente escalable para la higienización de lodos en la industria de procesamiento de salmón de Chile, con beneficios en cumplimiento normativo y potencial de reutilización agrícola. Así, los científicos recomiendan validar su uso a escala piloto y una tecnología técnicamente viable y económicamente escalable para la higienización de lodos en la industria de procesamiento de salmón de Chile, con beneficios en cumplimiento normativo y potencial de reutilización agrícola.
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