Les bassins d’élevage (taille, nombre et conception) sont sélectionnés en fonction de l’échelle de production et des espèces de poissons utilisées. Rakocy et al. (2006) ont utilisé quatre grands bassins d’élevage pour la production commerciale d’O. niloticus dans le système aquaponique UVI (États-Unis). Avec la production d’espèces de poissons omnivores ou piscivores, comme C. gariepinus, plusieurs réservoirs devraient être utilisés en raison du tri des classes de taille et de la production échelonnée (Palm et al., 2016). Les réservoirs à poissons devraient être conçus de manière à ce que les solides qui se déposent au fond des réservoirs puissent être éliminés efficacement par un effluent situé au fond. Cette élimination des déchets solides est la première étape cruciale du traitement de l’eau en aquaponie couplée, comme c’est le cas en aquaculture et en aquaponie découplée. Les déchets proviennent d’aliments non consommés, de matières fécales de poisson, de biomasse bactérienne et de floculants produits au cours de la production aquacole, ce qui augmente la DBO et réduit la qualité de l’eau et la disponibilité d’oxygène pour les unités aquacoles et hydroponiques. En aquaculture, les déchets solides sont constitués dans une large mesure de carbone organique, qui est utilisé par des bactéries hétérotrophes pour produire de l’énergie par la consommation d’oxygène. Plus l’élimination des déchets solides est bonne, meilleure est la performance générale du système pour les poissons et les plantes, c’est-à-dire avec des niveaux d’oxygénation optimaux et aucune accumulation de particules dans la rhizosphère qui inhibe l’absorption des nutriments, et avec des réservoirs ronds ou ovales qui se révèlent particulièrement efficaces (Knaus et al., 2015).

La production de poissons en aquaponie couplée dans la FishGlasHouse en Allemagne a été testée à différentes échelles afin de déterminer le rapport coût-efficacité. Cela a été fait de manière efficace aussi étendue (max. 50 kg, 35 poissons msup-3/sup) ou intensive (max. 200 kg, 140 poissons msup-3/sup) production africaine de poisson-chat. La production semi-intensive (max. 100 kg, 70 poissons msup-3/sup) ne peut pas être recommandée en raison d’un rapport coûts-avantages négatif. Dans le mode de production semi-intensive, l’entretien du système, la main-d’œuvre et l’apport d’aliments pour animaux étaient autant que sous production intensive, mais avec une production de poissons et de biomasse végétale réduite, et tout gain économique dans l’unité aquacole n’a pas été rentable (Palm et al., 2017). Cela résulte de la forte demande biochimique en oxygène (DBO), de la dénitrification élevée en raison de la disponibilité réduite de l’oxygène, des taux d’échange de l’eau relativement élevés, de la minéralisation principalement anaérobie avec des précipitations distinctes, de faibles niveaux de P et de K ainsi que d’une faible valeur de pH avec beaucoup moins de production de poissons que avec les conditions intensives. En revanche, la grande production de poissons a permis une plus grande disponibilité d’oxygène avec moins de taux d’échange d’eau et une meilleure disponibilité en nutriments pour la croissance des plantes. Ainsi, dans les conditions ci-dessus, une unité de production de poissons RAS pour les aquaponiques couplées fonctionne donc dans des conditions de production de poissons étendues ou intensives, et des conditions intermédiaires doivent être évitées.

# 7.4.1 Filtration

Les clarificateurs, parfois aussi appelés sédimenteurs ou séparateurs tourbillonnants (voir aussi Chap. 3), sont les dispositifs les plus fréquemment utilisés pour l’élimination des déchets solides en aquaponie couplée (Rakocy et al. 2006 ; Nelson et Pade 2007 ; Danaher et al. 2013, Fig. 7.4). Les particules de plus grande taille doivent être retirées du système afin d’éviter les zones anoxiques ayant des effets dénitrifiants ou le développement de HSub2/Subs. La plupart des clarificateurs utilisent des lamelles ou des plaquettes pour faciliter l’élimination des solides. Les fonds coniques soutiennent la concentration des boues au fond pendant le fonctionnement et le nettoyage, tandis que les fonds plats nécessitent de grandes quantités d’eau pour évacuer et enlever les boues. Pendant le fonctionnement, les solides coulent au fond du clarificateur pour former des boues. Selon l’alimentation et le temps de rétention, ces boues peuvent s’accumuler pour former des couches relativement épaisses. L’activité microbienne à l’intérieur des couches de boues se déplace progressivement vers des conditions anaérobies, stimulant la dénitrification microbienne. Ce procédé réduit les nitrates disponibles dans la plante et doit être évité, surtout si l’eau de procédé doit être utilisée pour la production d’installations hydroponiques. Par conséquent, la dénitrification peut être contre-productive dans les aquaponiques couplées.

La densité des déchets solides enlevés par le clarificateur est plutôt faible, par rapport à d’autres technologies, l’entretien prend du temps, et le nettoyage du clarificateur avec de l’eau douce est responsable de la principale perte d’eau de l’ensemble du système. La quantité d’eau requise est affectée par sa conception générale, la forme du fond et l’accessibilité des déflecteurs en PVC à l’eau de rinçage (fig. 7.4a, b). L’augmentation des densités d’ensemencement des poissons nécessite des échanges d’eau plus élevés (tous les jours de la semaine dans des conditions intensives) afin de maintenir une qualité optimale de l’eau pour la production de poissons, ce qui peut entraîner la perte de grandes quantités d’eau de traitement et perdre également des quantités substantielles d’éléments nutritifs nécessaires à la plante croissance. En outre, le remplacement par l’eau douce introduit des carbonates de calcium et de magnésium qui peuvent ensuite précipiter avec des phosphates. Par conséquent, l’utilisation de ces clarificateurs à commande manuelle rend presque impossible les prévisions sur la composition de l’eau de procédé en ce qui concerne la croissance optimale des plantes (Palm et al., 2019). Il serait plus efficace de suivre l’exemple de Naegle (1977) de séparer les boues aérobies et anaérobies et les rejets gazeux d’azote par un système à double boue.

Fig. 7.4 Principe de filtration aquaponique avec un sédimenteur (a-b) et (c) filtre à disque (Pal-Aquakulur GmbH, Abtshagen, Allemagne) du poisson-chat commercial africain (Clarias gariepinus) RAS dans le FishGlasshouse (Université de Rostock, Allemagne)

Une élimination plus efficace des déchets solides peut être obtenue par des filtres automatiques à tambour ou à disque qui fournissent des barrières mécaniques qui retiennent les solides, qui sont ensuite éliminés par rinçage. Les nouveaux développements visent à réduire l’utilisation de l’eau de rinçage par des technologies de nettoyage sous vide, permettant la concentration de solides totaux dans les boues jusqu’à 18 % (Dr. Günther Scheibe, Pal-Aquakultur GmbH, Allemagne, communication personnelle, fig. 7.4c). Cette élimination efficace des déchets a une influence positive sur la composition des boues, améliorant ainsi le contrôle de l’eau des effluents afin de mieux répondre aux exigences horticoles. Une autre option est l’application de plusieurs clarificateurs (sédimenteurs) ou de composants d’élimination des boues dans une rangée.

Les biofiltres sont un autre élément essentiel du RAS, car ils convertissent l’azote ammoniac par oxydation microbienne en nitrate (nitrification). Même si les racines des plantes et le système lui-même fournissent des surfaces pour les bactéries nitrifiantes, la capacité de contrôler la qualité de l’eau est limitée. Les systèmes qui n’ont pas de biofiltration sont limités aux mini-installations ou aux installations de loisirs à faible alimentation. Dès que la biomasse des poissons et l’apport alimentaire augmentent, une capacité de biofiltration supplémentaire est nécessaire pour maintenir une qualité de l’eau adéquate pour la pisciculture et fournir des quantités suffisantes de nitrates pour la croissance des plantes.

Pour les aquaponiques domestiques et à petite échelle, les milieux végétaux (gravier ou argile expansée par exemple) peuvent suffire comme biofiltres efficaces. Cependant, en raison du risque élevé de colmatage et, par conséquent, de la nécessité d’un nettoyage et d’un entretien manuels réguliers, ces méthodes ne conviennent pas aux aquaponiques commerciaux à grande échelle (Palm et al. 2018). De plus, Knaus et Palm (2017a) ont démontré que l’utilisation d’un simple biofiltre dans un contournement augmentait déjà l’apport quotidien possible dans un système aquaponique à couplage arrière d’environ 25 %. Les biofiltres modernes qui sont utilisés dans les RAS intensifs sont efficaces pour fournir une capacité de nitrification suffisante pour la production de poissons et de plantes. En raison de l’augmentation des coûts d’investissement, ces composants sont plus applicables dans les systèmes aquaponiques commerciaux de moyenne et de plus grande échelle.

7.4.1.1 Hydroponique dans l’aquaponie couplée

En aquaponie couplée, un large éventail de sous-systèmes hydroponiques peuvent être utilisés (voir également Chap. 4) selon l’échelle de fonctionnement (Palm et al., 2018). À moins que le travail n’ait pas d’impact significatif sur le rendement (ou le profit) et que le système n’est pas trop grand, différents sous-systèmes hydroponiques peuvent être utilisés simultanément. Ceci est courant dans les aquaponiques domestiques et de démonstration qui utilisent souvent des systèmes de substrat de lit médiatique (sable, gravier, perlite, etc.) dans les creux de reflux et d’écoulement, les canaux DWC (systèmes de culture en eau profonde ou radeaux) et même souvent les canaux de film nutritif (NFT). Les substrats médiatiques (sable/gravier) dans les creux et les creux, qui peuvent se boucher en raison du dépôt de détritus et doivent souvent être lavés (Rakocy et al., 2006). En raison de la manipulation des substrats, ces systèmes sont généralement de taille limitée. D’autre part, les sous-systèmes hydroponiques DWC nécessitent moins de main-d’œuvre et sont moins sujets à l’entretien, ce qui leur permet d’être adoptés pour de plus grandes zones de plantation. Pour cette raison, les sous-systèmes DWC se trouvent principalement dans les systèmes domestiques ou semi-commerciaux, mais pas habituellement dans les systèmes aquaponiques à grande échelle. Dans le cas de la production aquaponique commerciale plus importante, la proportion de main-d’œuvre et d’entretien dans le système DWC reste trop élevée. Même l’utilisation des ressources en eau et de l’énergie pour le pompage est également défavorable pour les systèmes à grande échelle.

Si des systèmes aquaponiques fermés sont conçus pour une production orientée vers le profit, l’utilisation de la main-d’œuvre doit diminuer tandis que la surface de production doit augmenter. Cela n’est possible qu’en rationalisant la production de poissons combinée à l’application de sous-systèmes hydroponiques faciles à mettre en œuvre. La technique du film nutritif (NFT) peut, à l’heure actuelle, être considérée comme le système hydroponique le plus efficace, combinant un faible travail avec de grandes surfaces végétales et un bon rapport entre l’eau, l’énergie et les coûts d’investissement. Cependant, toutes les plantes aquaponiques ne poussent pas bien dans les systèmes NFT et il est donc nécessaire de trouver le bon choix de plante pour chaque sous-système hydroponique, ce qui, à son tour, est en corrélation avec l’approvisionnement en nutriments d’une espèce de poisson spécifique intégrée dans une conception de sous-système hydroponique spécifique. Pour les aquaponiques couplées, la charge de particules parfois plus élevée dans l’eau peut être problématique en obstruant les gouttières, les tuyaux et les vannes dans les installations NFT. Par conséquent, les grands systèmes aquaponiques doivent contenir une gestion professionnelle de l’eau avec une filtration mécanique efficace pour éviter les blocages de recirculation. Lorsque l’approvisionnement continu en eau est assuré par les conduites, le système NFT peut être utilisé dans tous les types de systèmes aquaponiques couplés, mais il est surtout recommandé pour la production dans les petits systèmes semi-commerciaux et les systèmes à grande échelle (Palm et al. 2018).