7.8 Problèmes de planification et de gestion du système
L’aquaponie couplée dépend des éléments nutritifs qui sont fournis par les unités de poisson, soit un RAS commercial intensif ou des réservoirs stockés dans des conditions étendues dans des exploitations plus petites. La densité des poissons dans ce dernier est souvent d’environ 15—20 kg/msup3/sup (tilapia, carpe), mais la production étendue de poisson-chat africain peut être plus élevée jusqu’à 50 kg/msup3/sup. Ces différentes densités d’ensemencement ont une influence importante sur les flux nutritifs et la disponibilité des nutriments pour les plantes, sur l’exigence de contrôle et d’ajustement de la qualité de l’eau ainsi que sur les pratiques de gestion appropriées.
La qualité de l’eau de procédé par rapport aux concentrations en éléments nutritifs dépend principalement de la composition de l’aliment et des taux de renouvellement respectifs des poissons. La différence entre l’apport alimentaire et les éléments nutritifs, assimilés à l’intérieur du poisson ou perdus par l’entretien du système, équivaut au potentiel maximal des nutriments disponibles pour les plantes provenant de l’aquaculture. Comme il a été mentionné ci-dessus, les concentrations en éléments nutritifs devraient être ajustées à des niveaux qui permettent aux plantes de croître efficacement. Cependant, toutes les espèces de poissons ne sont pas capables de résister à de telles conditions. Par conséquent, les espèces de poissons résilientes comme le poisson-chat africain, Tilapia ou la carpe sont des candidats aquaponiques préférés. À l’Université de Rostock, on a analysé le poisson-chat entier et son régime standard en tant que valeurs de sortie et d’entrée afin d’identifier les taux de renouvellement des macronutriments N, P, K, Ca, Mg et S et des micronutriments Fe, Mn, Mo, Cu, Zn et Se. À l’exception du P, plus de 50 % des nutriments nutritifs donnés aux poissons ne sont pas conservés dans leur corps et peuvent être considérés comme potentiellement disponibles en tant que nutriments végétaux (Strauch et al., 2018 ; figure 7.12). Cependant, ces nutriments ne sont pas répartis également à l’intérieur de l’eau de procédé et des sédiments. En particulier, les macronutriments (N, P, K) s’accumulent dans l’eau de procédé ainsi qu’à l’intérieur de la fraction solide tandis que les micronutriments, tels que le fer, disparaissent dans la fraction solide séparée par le clarificateur. La figure 7.13 montre la production d’éléments nutritifs par nettoyage de clarificateur après 6 jours de collecte de boues dans un RAS intensif de poisson-chat africain. Les proportions de nutriments essentiels végétaux liés dans les solides par rapport aux quantités respectives qui semblent dissous sont significatives : N = 48 %, P = 61 %, K = 10 %, Ca = 48 %, Mg = 16 %, S = 11 %, Fe = 99 %, Mn = 86 %, Mo = 100 %, Zn = 48 % et Cu = 55 %.
Fig. 7.12 Nutriments inutilisés dans l’aquaculture africaine de poisson-chat qui sont potentiellement disponibles pour la production de plantes aquaponiques (données originales)
Fig. 7.13 Distribution des macro- et micronutriments à l’intérieur de l’eau de procédé et des solides. (Données tirées de Strauch et coll. (2018))
L’un des principaux facteurs de gestion est la disponibilité de l’oxygène à l’intérieur du système, ce qui est essentiel pour maintenir la concentration de nitrate disponible dans l’eau de procédé à un niveau élevé. Les clarificateurs conventionnels qui sont appliqués dans de nombreux RAS retirent les déchets solides riches en carbone de la recirculation, mais les laisseront en contact avec l’eau de procédé jusqu’au prochain intervalle de nettoyage du réservoir de sédimentation. Pendant ce temps, la matière organique riche en carbone est utilisée comme source d’énergie en dénitrifiant les bactéries, ce qui explique les pertes importantes de nitrates. Il dépasse sous forme d’azote dans l’atmosphère et est perdu. Dans des conditions de production intensives, de grandes quantités de boues organiques s’accumuleront à l’intérieur des réservoirs de sédimentation, ce qui aura des conséquences pour l’entretien, le remplacement par de l’eau douce et, par la suite, la composition nutritive à l’intérieur de l’eau de procédé. La figure 7.14 illustre les concentrations d’éléments nutritifs dans les bassins de rétention du poisson-chat africain RAS sous trois densités d’ensemencement différentes (extensif : 35 poisson/réservoir, semi-intensif : 70 poisson/réservoir, intensif : 140 poisson/réservoir). Plus la densité de stockage est élevée et plus la teneur en oxygène obtenue à l’intérieur du système est faible, plus le nitrate disponible par kg d’alimentation à l’intérieur du système est faible.
Fig. 7.14 N-budget par kg d’aliment et niveau d’oxygène dans l’aquaculture africaine de poisson-chat sous trois densités d’ensemencement différentes (données originales)
En général, avec l’augmentation de l’intensité des poissons, la disponibilité d’oxygène à l’intérieur du système diminue en raison de la consommation d’oxygène par le poisson et de la digestion des boues aérobies à l’intérieur du clarificateur et des sous-systèmes hydroponiques. Les niveaux d’oxygène peuvent être maintenus à des niveaux plus élevés, mais cela nécessite des investissements supplémentaires pour la surveillance et le contrôle de l’oxygène. Cette question est d’une importance considérable pour l’aquaponie couplée, dès le début de la phase de planification des systèmes, car les différents scénarios sont déterminants pour la production de poisson planifiée, la qualité de l’eau de procédé qui en résulte pour les unités de production de l’usine et, par conséquent, pour les la durabilité. Quatre principes de systèmes de production aquaponiques couplés ayant des conséquences de gestion en termes de conception du système, de procédures d’entretien et de disponibilité des nutriments pour la croissance des plantes, avec des transitions entre elles, peuvent être définis comme suit :
Production étendue, poissons résistants à l’oxygène (p. ex. tilapia, carpe), aucun contrôle de l’oxygène, Osub2/sub supérieur à 6 mg/L, faible utilisation d’eau avec des concentrations élevées de nutriments, faible investissement, faible DBO, teneur élevée en nitrate par kg d’aliment.
Production intensive, poisson résilient à l’oxygène (p. ex. poisson-chat africain), aucun contrôle de l’oxygène, Osub2/sub inférieur à 6 mg/L, utilisation élevée de l’eau, investissement moyen, DBO élevé, faible teneur en nitrate par kg d’aliment, concentrations élevées en nutriments.
Production étendue, poisson exigeant en oxygène (p. ex. truite), contrôle de l’oxygène, Osub2/sub supérieur à 6 à 8 mg/L, utilisation élevée de l’eau, investissement moyen, faible DBO, nitrate élevé par kg d’aliment, faible concentration en nutriments.
Production intensive, poisson exigeant en oxygène (p. ex. truite, sandre), contrôle de l’oxygène, Osub2/sub supérieur à 6 à 8 mg/L, utilisation élevée de l’eau, investissement élevé, DBO faible, nitrate moyen par kg d’aliment.
En plus de la densité d’ensemencement et de la quantité moyenne d’oxygène à l’intérieur du système, le régime de production de la plante, c’est-à-dire la culture en lots ou en échelons, a des conséquences sur les nutriments disponibles dans l’eau de procédé (Palm et al., 2019). C’est le cas en particulier pour les poissons à croissance rapide, où l’augmentation des aliments pendant le cycle de production peut être si rapide que le taux d’échange de l’eau doit être plus élevé et donc la dilution des nutriments peut augmenter, ce qui a des conséquences sur la composition et la gestion des nutriments.
Les mêmes processus oxiques ou anoxiques qui se produisent dans le RAS dans le cadre du système aquaponique couplé se produisent également à l’intérieur des sous-systèmes hydroponiques. Par conséquent, la disponibilité de l’oxygène et éventuellement l’aération de l’eau de la plante peuvent être cruciales pour optimiser la qualité de l’eau pour une bonne croissance de la plante. L’oxygène permet aux bactéries hétérotrophes de convertir les nutriments organiques liés en phase dissoute (c.-à-d. l’azote protéique en ammoniac) et aux bactéries nitrifiantes de convertir l’ammoniac en nitrate. La disponibilité d’oxygène dans l’eau réduit également le métabolisme microbien anoxique (c’est-à-dire les bactéries réductrices de nitrate et/ou de sulfate, Comeau 2008), processus qui peuvent avoir des effets considérables sur la réduction des concentrations de nutriments. L’aération des racines présente également l’avantage que l’eau et les nutriments sont transportés à la surface des racines et que les particules qui se déposent à la surface des racines sont éliminées (Somerville et al., 2014).