3.1 Introduction
Les systèmes d’aquaculture en recirculation (RAS) décrivent les systèmes de production intensive de poissons qui utilisent une série d’étapes de traitement de l’eau pour dépurer l’eau d’élevage du poisson et en faciliter la réutilisation. Le RAS comprendra généralement (1) des dispositifs pour éliminer les particules solides de l’eau qui sont composées de matières fécales de poisson, d’aliments non consommés et de flocs bactériens (Chen et al., 1994 ; Couturier et al., 2009), (2) des biofiltres nitrifiants pour oxyder l’ammoniac excrété par les poissons en nitrate (Gutierrez-Wing et Malone, 2006) et Malone, 2006) et (3) de dispositifs d’échange de gaz pour éliminer le dioxyde de carbone dissous expulsé par les poissons ainsi que l’apport d’oxygène requis par les poissons et les bactéries nitrifiantes (Colt et Watten, 1988 ; Moran, 2010 ; Summerfelt, 2003 ; Wagner et al., 1995). De plus, le RAS peut aussi utiliser l’irradiation UV pour la désinfection de l’eau (Sharrer et al., 2005 ; Summerfelt et al., 2009), l’ozonation et l’écrémage des protéines pour les solides fins et le contrôle microbien (Attramadal et al., 2012a ; Gonçalves et Gagnon, 2011 ; Summerfelt et Hochheimer, 1997) et des systèmes de dénitrification pour éliminer les nitrification (van Rijn et al. 2006).
La technologie moderne de recirculation de l’aquaculture se développe depuis plus de 40 ans, mais de nouvelles technologies offrent de plus en plus des moyens de changer les paradigmes des SAR traditionnels, y compris des améliorations sur des procédés classiques tels que la capture des solides, la biofiltration et l’échange de gaz. La RAS a également connu d’importants progrès en termes d’échelle, de capacités de production et d’acceptation du marché, les systèmes étant progressivement plus grands et plus robustes.
Le présent chapitre traite de la façon dont la technologie RAS s’est développée au cours des deux dernières décennies, depuis une période de consolidation technologique jusqu’à une nouvelle ère de mise en œuvre industrielle.
3.1.1 Historique du RAS
Les premières recherches scientifiques sur le RAS menées au Japon dans les années 1950 ont porté sur la conception de biofiltres pour la production de carpes, motivées par la nécessité d’utiliser de manière plus productive les ressources en eau limitées localement (Murray et al., 2014). En Europe et aux États-Unis, des scientifiques ont également tenté d’adapter les technologies mises au point pour le traitement des eaux usées domestiques afin de mieux réutiliser l’eau dans les systèmes de recirculation (par exemple, les procédés de boues activées pour le traitement des eaux usées, les filtres de ruissellement, les biofiltres immergés et en aval, ainsi que plusieurs systèmes de filtration). Ces premiers efforts comprenaient principalement des travaux sur les systèmes marins pour la production de poissons et de crustacés, mais ils ont été rapidement adoptés dans les régions arides où le secteur agricole est limité par l’approvisionnement en eau. En aquaculture, différentes solutions ont été conçues pour maximiser l’utilisation de l’eau, y compris des systèmes de recirculation très intensifs qui intègrent des systèmes de filtration de l’eau tels que des filtres à tambour, des filtres biologiques, des écrémeurs protéiques et des systèmes d’injection d’oxygène (Hulata et Simon 2011). Malgré une forte conviction des pionniers de l’industrie quant à la viabilité commerciale de leurs travaux, la plupart des premières études ont porté exclusivement sur l’oxydation des déchets toxiques d’azote inorganique provenant du métabolisme des protéines. La confiance dans la technologie a été renforcée par le bon fonctionnement des aquariums publics et domestiques, qui sont généralement dotés d’unités de traitement surdimensionnées pour assurer une eau cristalline. En outre, les densités d’ensemencement extrêmement faibles et les intrants d’alimentation associés signifiaient que cette suringénierie contribuait encore relativement peu aux coûts d’investissement et d’exploitation du système par rapport aux RAS intensifs. Par conséquent, les changements dans la dynamique des processus associés au changement d’échelle n’ont pas été pris en compte, ce qui a entraîné la sous-taille des unités de traitement du SAR afin de minimiser les coûts en capital. Par conséquent, les marges de sécurité étaient beaucoup trop étroites ou inexistantes (Murray et al., 2014). Comme beaucoup de scientifiques pionniers avaient des antécédents biologiques plutôt que techniques, les améliorations techniques étaient également limitées par des erreurs de communication entre les scientifiques, les concepteurs, le personnel de construction et les opérateurs. La mise au point d’une terminologie normalisée, d’unités de mesure et de formats de déclaration en 1980 (EIFAC/CIEM 1980) a contribué à remédier à la situation, bien que des différences régionales persistent. Ce n’est qu’au milieu des années 1980 que les paramètres cycliques de qualité de l’eau sont devenus reconnus comme étant importants dans la production des étangs, par exemple en mesurant périodiquement les concentrations de pH, d’oxygène, de TAN (azote ammoniaque total), de NO2 (nitrate), de DBO (demande biochimique en oxygène) et de DCO (demande chimique en oxygène).
Dans la dernière partie du siècle dernier, de nombreux articles ont été publiés sur le développement précoce de la RAS. Rosenthal (1980) a développé l’état des systèmes de recirculation en Europe occidentale, tandis que Bovendeur et al. (1987) ont mis au point un système de recirculation de l’eau pour la culture du poisson-chat africain en relation avec la production de déchets et la cinétique de l’élimination des déchets (une conception a été présentée pour un système de traitement de l’eau composé de un clarificateur primaire et un réacteur aérobie à film fixe qui ont donné des résultats satisfaisants pour la culture à haute densité de poisson-chat africain). Ces travaux s’inscrivaient dans le cadre du développement rapide des systèmes de pisciculture jusqu’au milieu des années 1990 en Europe du Nord et de l’Ouest (Rosenthal et Black, 1993), ainsi qu’en Amérique du Nord (Colt, 1991). De nouvelles classifications, comme la classification selon la façon dont l’eau circule dans un système aquacole, ont fourni des informations clés sur les processus de qualité de l’eau qui sont importants pour la production de poissons (Krom et van Rijn, 1989). Dans les travaux ultérieurs de van Rijn (1996), des concepts ont été introduits axés sur les processus biologiques sous-jacents aux systèmes de traitement. Les conclusions de ces travaux ont été que l’intégration de méthodes de réduction de l’accumulation de boues et de nitrates a permis de stabiliser la qualité de l’eau dans les unités de culture. Au cours de cette période, la production de RAS a considérablement augmenté en volume et en diversité des espèces (Rosenthal, 1980 ; Verreth et Eding, 1993 ; Martins et al., 2005). Aujourd’hui, plus de 10 espèces sont produites dans la RAS (Poisson-chat africain, anguille et truite comme principales espèces d’eau douce et turbot, bar marin et sole comme principales espèces marines) (Martins et al., 2010b), la RAS étant également devenue un élément crucial dans la production de larves et de juvéniles de diverses espèces.
Bien que les rendements maximaux durables de nombreuses espèces sauvages aquatiques aient été ou seront bientôt atteints, et que de nombreuses espèces sont déjà surexploitées, le RAS est considéré comme une technologie clé qui aidera le secteur aquacole à répondre aux besoins en espèces aquatiques au cours des prochaines décennies (Ebeling et Timmons, 2012).
3.1.2 Bref historique de l’aquaponie dans le contexte de la RAS
Fig. 3.1 Chinampas (jardins flottants) en Amérique centrale — construction d’îles artificielles en tant qu’antériorité de la technologie aquaponique. (De Marzolino/ Shutterstock.com)
Aquaponie est un terme qui a été « inventé » dans les années 1970, mais dans la pratique a des racines anciennes — bien qu’il y ait encore des discussions sur sa première occurrence. Les Aztèques ont cultivé des îles agricoles connues sous le nom de chinampas (les premières années 1150—1350CE), dans un système considéré par certains comme la première forme d’aquaponie à usage agricole (figure 3.1). Dans de tels systèmes, les plantes ont été élevées sur des îles stables, ou parfois mobiles et flottantes placées dans des lacs peu profonds où la boue riche en éléments nutritifs pouvait être draguée des canaux chinampa et placée sur les îles pour soutenir la croissance des plantes (Crossley, 2004).
Un exemple encore plus ancien de l’aquaponie a commencé de l’autre côté du monde dans le sud de la Chine et on pense qu’il s’est propagé en Asie du Sud-Est, où les colons chinois du Yunnan se sont installés autour de 5 ans après notre ère. Les agriculteurs ont cultivé et cultivé du riz dans des rizières en combinaison avec du poisson (FAO 2001). Ces systèmes d’élevage polyculturels existaient dans de nombreux pays d’Extrême-Orient pour élever des poissons comme le loach oriental (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), l’anguille des marais (fam. Synbranchidae), carpe commune (Cyprinus carpio) et carpe crucienne (Carassius carassius) (FAO 2004). Essentiellement, cependant, il ne s’agissait pas de systèmes aquaponiques, mais il est préférable de les décrire comme des exemples précoces de systèmes aquacoles intégrés (Gomez, 2011). Au XXe siècle, les premières tentatives de création de systèmes de production de poisson pratiques, efficaces et intégrés aux côtés des légumes ont été faites dans les années 1970 avec le travail de Lewis et Naegel (Lewis et Wehr, 1976 ; Naegel, 1977 ; Lewis et al., 1978). D’autres systèmes ont été conçus par Waten et Busch en 1984 et par Rakocy en 1989 (Palm et al., 2018).