8.1 Introduction
Comme nous l’avons vu dans les chapitres 5 et 7, les systèmes aquaponiques à boucle unique sont bien étudiés, mais ces systèmes ont une efficacité globale sous-optimale (Goddek et al. 2016 ; Goddek et Keesman 2018). Au fur et à mesure que l’aquaponie évolue jusqu’à la production industrielle, l’accent a été mis sur l’augmentation de la viabilité économique de ces systèmes. L’une des meilleures opportunités d’optimiser la production en termes de rendement de récolte peut être réalisée en découplant les composants dans un système aquaponique afin d’assurer des conditions de croissance optimales pour les poissons et les plantes. Les systèmes découplés diffèrent des systèmes couplés dans la mesure où ils séparent les boucles d’eau et d’éléments nutritifs de l’unité aquacole et hydroponique les uns des autres et fournissent ainsi un contrôle de la chimie de l’eau dans les deux systèmes. La figure 8.1 présente un aperçu schématique d’un système couplé traditionnel (A), d’un système découplé à deux boucles (B) et d’un système à plusieurs boucles découplées (C). Cependant, il y a un débat considérable sur la question de savoir si les systèmes aquaponiques découplés sont économiquement avantageux par rapport aux systèmes plus traditionnels, étant donné qu’ils nécessitent davantage d’infrastructures. Pour répondre à cette question, il est nécessaire d’examiner différentes conceptions de systèmes afin d’identifier leurs forces et leurs faiblesses.
Le concept d’un système aquaponique couplé à une boucle, tel qu’illustré à la figure 8.1a, peut être considéré comme la base traditionnelle de tous les systèmes aquaponiques dans lesquels l’eau circule librement entre les unités aquacoles et hydroponiques, tandis que les boues de nutrientrich sont rejetées. L’un des principaux inconvénients de ces systèmes est qu’il est nécessaire de faire des compromis dans les conditions d’élevage des deux sous-systèmes en termes de pH, de température et de concentration en éléments nutritifs (tableau 8.1).
Fig. 8.1 L’évolution des systèmes aquaponiques. (a) présente un système aquaponique traditionnel à une boucle, (b) un système aquaponique simple découplé, et (c) un système aquaponique à plusieurs boucles découplées. La police bleue représente l’entrée, la sortie et les débits d’eau et le rouge pour les déchets
En revanche, les systèmes aquaponiques découplés ou à deux boucles séparent les unités aquacoles et aquaponiques les unes des autres (figure 8.1b). Ici, la taille de l’unité hydroponique est un aspect critique, car idéalement elle doit assimiler les nutriments fournis par l’unité de poisson directement ou par minéralisation des boues (par exemple, extraire les nutriments des boues et les fournir aux plantes sous une forme soluble). En effet, tant la taille de la surface de la plante que les conditions environnementales (p. ex. surface, indice de surface foliaire, humidité relative, rayonnement solaire, etc.) déterminent la quantité d’eau pouvant être évapotranspirée et sont les principaux facteurs qui déterminent le taux de remplacement de l’eau RAS. L’eau envoyée du RAS à l’unité hydroponique est donc remplacée par de l’eau propre qui réduit les concentrations de nutriments et améliore ainsi la qualité de l’eau (Monsees et al., 2017a, b). La quantité d’eau qui peut être remplacée dépend du taux d’évapotranspiration des plantes qui est contrôlé par le rayonnement net, la température, la vitesse du vent, l’humidité relative et les espèces végétales. Notamment, il y a une dépendance saisonnière, avec plus d’eau évaporée pendant les saisons chaudes et ensoleillées, ce qui est également lorsque les taux de croissance des plantes sont les plus élevés. Cette approche a été suggérée par Goddek et coll. (2015) et Kloas et coll. (2015) comme une approche visant à améliorer la conception des systèmes à boucle unique et à mieux utiliser la capacité pour assurer un rendement optimal de croissance des plantes. Le concept a été adopté, entre autres, par ECF à Berlin, en Allemagne, et par les UrbanFarmers_ maintenant en faillite à La Haye, aux Pays-Bas.
Malgré les avantages potentiels, les premières expériences avec une conception découplée à boucle unique ont rencontré de sérieux inconvénients. Cela est dû aux quantités élevées d’éléments nutritifs supplémentaires qui devaient être ajoutés à la boucle hydroponique étant donné que l’eau de procédé qui coule du RAS à la boucle hydroponique dépend uniquement de l’évapotranspiration (Goddek et al. 2016 ; Kloas et al. 2015 ; Reyes Lastiri et al. 2016). Les nutriments avaient également tendance à s’accumuler dans les systèmes RAS lorsque les taux d’évapotranspiration étaient plus faibles et pouvaient atteindre des niveaux critiques, ce qui nécessitait des saignements périodiques de l’eau (Goddek, 2017).
Pour surmonter ces inconvénients, il a fallu mettre en place des boucles supplémentaires afin de réduire la quantité de déchets produits dans le système (Goddek et Körner 2019). Ces systèmes à boucle multiple sont décrits à la figure 8.1c et améliorent l’approche à deux boucles (8.1b) avec deux unités qui seront examinées de plus près dans les deux sous-chapitres suivants ainsi que dans les chapitres [10](/community/articles/chapter-10-aérobique-et-anaérobique-pour-réduction-et-minéralisation des boues aquaponiques) et 11 :
Minéralisation et mobilisation efficaces des nutriments grâce à un système de réacteur anaérobie à deux étages pour réduire les rejets de nutriments du système via les boues de poisson
Technologie de distillation/dessalement thermique pour concentrer la solution nutritive dans l’unité hydroponique afin de réduire le besoin d’engrais supplémentaires
De telles approches ont été mises en œuvre en partie par divers producteurs d’aquaponie tels que la société espagnole NerBreen (fig. 8.1) (Goddek et Keesman 2018) ainsi que Kikaboni AgriVentures Ltd à Nairobi (Kenya) (van Gorcum et al. 2019) (fig. 8.2).
Fig. 8.2 Photos du système multi-boucles existant en (1) Espagne (NerBreen) et (2) Kenya (Kikaboni AgriVentures Ltd.). Alors que le système NerBreen est situé dans un environnement contrôlé, le système Kikaboni utilise un système de tunnel semi-ouvert
Pour ce qui est des avantages économiques (Goddek et Körner 2019 ; Delaide et al. 2016), l’optimisation des conditions de croissance dans chaque boucle respective de systèmes aquaponiques découplés présente des avantages inhérents tant pour les plantes que pour les poissons (Karimanzira et al. 2016 ; Kloas et al. 2015) en réduisant les rejets de déchets et en améliorant l’amélioration de la qualité récupération et approvisionnement en nutriments (Goddek et Keesman 2018 ; Karimanzira et al. 2017 ; Yogev et al. 2016). Dans leur travail, Delaide et al. (2016), Goddek et Vermeulen (2018) et Woodcock (pers. Comm.) montrent que les systèmes aquaponiques découplés atteignent de meilleures performances de croissance que leurs groupes de contrôle aquaponiques et hydroponiques à une boucle respectifs. Malgré cela, divers problèmes doivent encore être résolus, y compris des problèmes techniques tels que la mise à l’échelle des systèmes, l’optimisation des paramètres et les choix techniques pour les technologies de serre pour différents scénarios régionaux. Dans le reste de ce chapitre, nous nous concentrerons sur certains des développements actuels afin de donner un aperçu des défis actuels, ainsi que des développements prometteurs sur le terrain.