8.3 Boucle de distillation/dessalement

Dans les systèmes aquaponiques découplés, il y a un flux unidirectionnel du RAS vers l’unité hydroponique. Dans la pratique, les plantes prennent de l’eau fournie par le RAS, qui, à son tour, est complétée d’eau fraîche (c’est-à-dire du robinet ou de la pluie). L’écoulement nécessaire de l’unité RAS est égal à la différence entre l’eau sortant du système HP via les installations (et via l’unité de distillation) et l’eau entrant dans l’unité hydroponique du réacteur de minéralisation, si le système comprend un réacteur (figure 8.4). Un résumé simplifié est que l’exigence de flux d’eau à long terme du RAS à la HP est égale à la consommation d’eau des cultures par évapotranspiration et stockage de l’eau des plantes dans la biomasse végétale.

Fig. 8.4 Schéma des flux d’eau et des concentrations différentes de nutriments dans un système aquaponique découplé, où Q, volume d’écoulement en L ; ρ, concentration en nutriments en mg/L ; RAS, système d’aquaculture en recirculation ; MIN, réacteur de minéralisation ; DIS, unité de distillation ; et X, paramètre de débit inconnu/flexible

Cependant, en termes de bilan massique, la quantité de nutriments qui quittent le système hydroponique via les plantes doit être remplacée pour assurer un équilibre constant. Cela pose un dilemme, car la concentration maximale tolérable en nutriments dans les RAS est beaucoup plus faible que ce qui est nécessaire dans les HP. Les flux d’éléments nutritifs élevés (_ρ_subras/sub $ \ times$ _q_subras/sub) pour le HP ne peuvent donc pas être atteints par les faibles concentrations d’éléments nutritifs RAS. Au lieu de cela, sans boucle de distillation/dessalement, la concentration en éléments nutritifs augmenterait dans le SRA tout en diminuant dans le système hydroponique. Un remède possible consiste à déverser de l’eau RAS (et donc aussi des nutriments) pour y diminuer la concentration nutritive et ajouter de l’engrais à la solution nutritive hydroponique. En termes d’impact environnemental et économique, cette solution est moins satisfaisante et ne répond pas à l’objectif d’une production combinée en boucle fermée.

La mise en œuvre d’une unité de distillation comme le montre la figure 8.3 représente une solution potentielle à ce dilemme. Ces techniques de distillation (par exemple, la distillation par membrane thermique) peuvent séparer les sels et les nutriments dissous de l’eau (Shahzad et al., 2017 ; Subramani et Jacangelo, 2015). Dans le contexte des systèmes aquaponiques à boucle multiple, et comme alternative à la fertilisation supplémentaire et au prélèvement d’eau avec des coûts supplémentaires correspondants, cette technologie pourrait non seulement fournir de l’eau douce au système, mais aussi atteindre les concentrations de nutriments souhaitées pour les sous-systèmes respectifs (Goddek et Keesman). 2018).

Pour la mise en œuvre (c’est-à-dire le dimensionnement) d’une telle unité de distillation, des équations simples du bilan massique peuvent être utilisées. Toutefois, le système restant doit être préalablement dimensionné (soit par des règles empiriques, soit par des équations de bilan massique ; voir Sect. 8.5), car les nutriments qui pénètrent dans le système doivent être en équilibre avec les nutriments biodisponibles absorbés par la culture (Note: le point d’intérêt des systèmes découplés est sa flexibilité. Par conséquent, on peut aussi surdimensionner la partie hydroponique du système, bien que cela nécessitera l’utilisation de plus d’engrais). La façon la plus simple d’estimer l’absorption des éléments nutritifs est d’utiliser l’hypothèse selon laquelle les éléments nutritifs sont absorbés ou absorbés de la même manière que les ions dissous dans l’eau d’irrigation (c.-à-d. aucune résistance chimique, biologique ou physique spécifique à un élément). Par conséquent, pour maintenir l’équilibre, tous les nutriments absorbés par la culture tels qu’ils sont contenus dans la solution nutritive doivent être ajoutés au système hydroponique (Eq. 8.4).

$ \ phi_ {RAS} + \ phi_ {MIN} - \ phi_ {HP} =0$ (8.4)

où __subras/sub est le flux nutritif du système RAS vers le système hydroponique, __submin/sub est le flux nutritif de l’unité de minéralisation vers le système hydroponique et __subhp/sub est l’absorption des éléments nutritifs par les plantes. Pour cette équation, on suppose que le système de distillation a une efficacité de près de 100%. Ainsi, _Q_Subdis/sub revient au sous-système hydroponique.

Par conséquent :

$ ( \ rho_ {HP} \ fois Q_ {HP}) = ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {RAS}) + ( \ rho_ {MIN} \ fois Q_ {MIN}) $ (8.5)

où Q est le volume d’écoulement en L et ρest la concentration en nutriments en mg/L.

Comme indiqué ci-dessus, le débit du RAS à l’unité hydroponique est la différence entre la somme des débits d’eau sortant du système hydroponique (c.-à-d. Qsubhp/sub + Qsubx/sub) et l’afflux du bioréacteur (Qsubmin/sub), c’est-à-dire Qsubras/sub = Qsubhp/sub + Qsubx/sub - Qsubmin/sub, ce qui nous conduit à ce qui suit : équation :

$ ( \ rho_ {HP} \ fois Q_ {HP}) = ( \ rho _ {RAS} \ fois Q_ {HP}) + ( \ rho _ {RAS} \ fois Q_ {X}) - ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {MIN}) + ( \ rho_ {MIN} \ fois Q_ {MIN}) $ (8.6)

La variable ciblée est le débit de distillation (Qsubx/sub) nécessaire pour maintenir l’équilibre de la concentration en éléments nutritifs dans le système hydroponique. Pour cela, Eq. 8.6 est résolu pour QSubx/sub dans les étapes suivantes :

$ ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {X}) = ( \ rho_ {HP} \ fois Q_ {MIN}) - ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {HP}) + ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {MIN}) $ (8.7)

$Q_ {X} = \ frac { \ rho_ {HP} \ fois Q_ {HP}} { \ rho_ {RAS}} - \ frac { \ rho_ {MIN} \ fois Q_ {MIN}} { \ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

Notez que le débit de distillation Qsubx/sub est très dynamique et dépend du taux d’évapotranspiration des plantes, qui dépend du climat. Le résultat dynamique, cependant, peut être utilisé pour le dimensionnement de l’unité de distillation. Pour calculer l’entrée requise dans l’unité de distillation, la formule suivante peut être utilisée :

$Q_ {DIS} =Q_ {X} \ fois \ frac {100} { \ eta_ {DIS}} $ (8.9)

où Q est le volume de débit en L et η l’efficacité de déminéralisation du dispositif utilisé (en%).

La technologie de distillation peut donc réduire considérablement l’empreinte de l’eau et de l’environnement (c’est-à-dire l’utilisation d’engrais) des systèmes aquaponiques à boucle multiple. Cependant, les systèmes aquaponiques deviennent encore plus complexes lorsqu’ils envisagent leur mise en œuvre. Même si cette boucle supplémentaire n’a pas de sens pour les systèmes à petite échelle, elle a le potentiel d’amener les systèmes commerciaux plus importants à un nouveau niveau. Pourtant, il faut considérer que la technologie de distillation thermique nécessite des quantités élevées d’énergie thermique et peut ne pas être économiquement raisonnable partout. Les régions où les niveaux mondiaux de rayonnement solaire ou les sources d’énergie géothermique sont élevés pourraient être les plus appropriées pour cette technologie. La viabilité économique de ces systèmes dépend donc également de leur emplacement.

Un autre point à garder à l’esprit est la température élevée de l’eau distillée et de la saumure provenant de l’unité de distillation. Selon les conditions environnementales et les espèces de poissons utilisées, l’eau de distillation chaude pourrait être utilisée pour chauffer l’eau du RAS ; toutefois, la saumure doit refroidir avant d’entrer de nouveau dans le sous-système HP.