10.3 Traitements aérobiques

Le traitement aérobie améliore l’oxydation de la boue en soutenant son contact avec l’oxygène. Dans ce cas, l’oxydation de la matière organique est principalement provoquée par la respiration de micro-organismes hétérotrophes. Le COsub2/sub, le produit final de la respiration, est libéré comme le montre l’Eq. (10.1).

$C_6H_ {12} O_6 + 6 \ O_2 \ rarr 6 \ CO_2+6 \ H_2O +énergie$ (10.1)

Ce procédé dans les réacteurs aérobies est principalement réalisé en injectant de l’air dans le mélange boue-eau avec des souffleurs d’air reliés à des diffuseurs et des hélices. L’injection d’air assure également un bon mélange des boues.

Au cours de ce processus d’oxydation, les macro- et micronutriments liés à la matière organique sont libérés. Ce processus est appelé minéralisation aérobie. Par conséquent, d’autres nutriments peuvent être recyclés pendant le processus de minéralisation, tandis que certains nutriments, comme le sodium et le chlorure, peuvent également dépasser leur seuil d’application hydroponique et doivent être surveillés attentivement avant l’application (Rakocy et al., 2007). La minéralisation aérobie de la matière organique, dérivée de l’unité d’élimination des solides (par exemple, clarificateur ou filtre à tambour) dans le RAS, est un moyen facile de recycler les nutriments pour une application aquaponique ultérieure.

De plus, pendant le processus de digestion aérobie, le pH diminue et favorise la minéralisation des minéraux liés piégés dans les boues. Par exemple, Monsees et al. (2017) ont montré que le P était rejeté par les boues RAS en raison de ce changement de pH. Cette diminution du pH est principalement due à la respiration et, dans une moindre mesure, probablement, à la nitrification.

Grâce à un apport constant d’oxygène par l’aération de la chambre de minéralisation et à l’abondance de matière organique, les micro-organismes hétérotrophes trouvent des conditions idéales pour se développer. Il en résulte une augmentation de la respiration et la libération de COSub2/sub qui se dissout dans l’eau. Le COsub2/sub forme de l’acide carbonique qui se dissocie et abaisse ainsi le pH de l’eau de procédé comme illustré dans l’équation suivante :

$CO_ {2 (g)} +2 \ H_2O \ rarr H_3O^++ {HCO_3} ^-$ (10.2)

Les eaux usées dérivées du RAS contiennent souvent du NHSub4/Subsup+/SUP et se caractérisent en outre par un pH neutre d’environ 7, car le pH du RAS doit être maintenu à ce niveau pour assurer une conversion microbienne optimale de NHSub4/Subsup+/SUP en NOSub 3/sub dans le biofiltre (c’est-à-dire la nitrification). Le procédé de nitrification peut contribuer à la diminution du pH dans les réacteurs aérobies au cours de la phase initiale en libérant des protons dans l’eau du procédé, comme on peut le voir dans l’équation suivante :

$ {NH_4} ^+ + 2 \ O_2 \ rarr {NO_3} ^- +2 \ h^+H_2O+énergie$ (10.3)

Ceci est au moins valable pour la phase de démarrage où le pH est toujours supérieur à 6. À un pH ≤ 6, la nitrification peut ralentir considérablement, voire cesser (Ebeling et al., 2006). Toutefois, cela ne pose pas de problème pour l’unité de minéralisation.

La diminution générale du pH de l’unité de minéralisation aérobie dans le processus en cours est le principal moteur de la libération des nutriments présents sous forme de minéraux précipités sous forme de phosphates de calcium. Monsees et al. (2017) ont noté qu’environ 50 % du phosphate dans les boues était soluble dans l’acide, dérivé d’un RAS Tilapia où un aliment standard contenant de la farine de poisson a été appliqué. Ici, environ 80 % du phosphate dans le RAS a été perdu par le nettoyage du décanteur et le rejet du mélange boue-eau. Compte tenu de ce fait, le grand potentiel des unités de minéralisation pour les applications aquaponiques devient clair.

Les avantages de la minéralisation aérobie sont le faible entretien sans besoin de personnel qualifié et aucune réoxygénation ultérieure. L’eau enrichie peut être utilisée directement pour la fertilisation végétale, idéalement gérée par un système en ligne pour la préparation adéquate de la solution nutritive. Un inconvénient par rapport à la minéralisation anaérobie est qu’aucun méthane n’est produit (Chen et al., 1997) et, comme nous l’avons déjà mentionné, que la demande d’énergie est plus élevée en raison de la nécessité d’une aération constante.

10.3.1 Unités de minéralisation aérobie

Fig. 10.2 Exemple schématique d’une unité de minéralisation aérobie fonctionnant en mode batch. La chambre de minéralisation (brune) est séparée de la chambre de sortie (bleue) par une plaque de tamis recouverte d’une plaque de couverture solide pendant le processus de minéralisation (forte aération) afin d’éviter le colmatage et la formation de particules fines. L’eau riche en matières organiques provenant d’un clarificateur ou d’un filtre à tambour pénètre dans l’unité de minéralisation par l’entrée. Une fois le cycle de minéralisation terminé, l’eau riche en éléments nutritifs et sans solides sort de l’unité de minéralisation par la sortie et est soit directement transférée à l’unité hydroponique, soit conservée dans un réservoir de stockage jusqu’à ce que nécessaire

Un exemple de conception d’une unité de minéralisation aérobie est présenté à la figure 10.2. L’entrée est reliée à l’unité d’extraction des solides par une vanne, ce qui permet un remplissage discontinu de la chambre de minéralisation avec un mélange de boues et d’eau. La chambre de minéralisation est aérée par l’air comprimé afin de favoriser la respiration des bactéries hétérotrophes et de réduire au minimum les processus de dénitrification anaérobie. Pour éviter que les matières organiques ne quittent la chambre de minéralisation, une plaque de tamis pourrait servir de barrière. Idéalement, une deuxième plaque de recouvrement imperméable doit être utilisée pour recouvrir le tamis pendant le processus de minéralisation (pendant l’aération). Cela devrait empêcher la plaque de tamis de se colmater car pendant la forte aération, la matière organique serait constamment déplacée contre la plaque de tamis. Avant de transférer l’eau riche en nutriments de la chambre de minéralisation vers l’unité hydroponique, l’aération est arrêtée pour permettre aux particules de se déposer. Par la suite, la plaque de recouvrement est retirée, et l’eau enrichie en nutriments peut passer à travers la plaque de tamis et quitter la chambre de minéralisation par la sortie, comme suggéré à la figure 10.2. Enfin, la plaque de couverture est de nouveau mise en place, la chambre de minéralisation est remplie de mélange boue-eau dérivé du RAS, et le processus de minéralisation recommence (c’est-à-dire le procédé par lots).

L’unité de minéralisation doit avoir au moins deux fois le volume du clarificateur pour permettre une minéralisation continue. Un cycle de minéralisation peut durer jusqu’à 5 à 30 jours en fonction du système, de la charge organique et du profil nutritif requis et doit être élaboré pour chaque système individuel. Pour les systèmes comprenant un filtre à tambour, comme c’est le cas dans la plupart des RAS modernes, la taille de l’unité de minéralisation doit être ajustée en fonction de l’écoulement quotidien ou hebdomadaire des boues du filtre à tambour. Comme cela n’a pas été testé dans un cadre expérimental jusqu’à présent, des recommandations spécifiques ne sont pas possibles pour le moment.

10.3.2 Mise en œuvre

Un exemple de mise en œuvre d’une unité de minéralisation aérobie dans un système aquaponique découplé est présenté à la figure 10.3. Comme aucun pré- et post-traitement (par exemple réoxygénation) n’est requis, l’unité de minéralisation peut être placée directement entre l’unité d’élimination des solides et les lits hydroponiques. En installant une vanne avant et après l’unité de minéralisation, un fonctionnement discontinu et une livraison de nutriments à l’unité hydroponique à la demande sont possibles, mais dans de nombreux cas, un réservoir de stockage supplémentaire serait nécessaire. Idéalement, après avoir dirigé l’eau riche en nutriments vers l’unité hydroponique, l’eau déplacée est remplacée par de nouvelles boues et de l’eau provenant de l’unité d’élimination des solides. En fonction du volume de l’unité de minéralisation, il est important de noter que le remplissage avec un nouveau mélange boue-eau peut entraîner une nouvelle augmentation du pH et donc interrompre le processus de minéralisation. En augmentant la taille de l’unité de minéralisation, cet effet serait tamponné. Dans l’étude menée par Rakocy et al. (2007) sur les déchets organiques liquides provenant de deux systèmes aquacoles, un temps de rétention de 29 jours pour la minéralisation aérobie a donné lieu à un succès substantiel de minéralisation. Néanmoins, cela dépend aussi de la teneur en TS dans la chambre de minéralisation, de l’aliment appliqué au RAS, de la température et des besoins en nutriments des plantes produites dans l’unité hydroponique.

Fig. 10.3 Image schématique d’un système aquaponique découplé comprenant une unité de minéralisation aérobie. L’eau peut être transférée dans le réservoir d’éléments nutritifs à partir de la boucle d’eau RAS ou directement à partir de l’unité de minéralisation