Aqu @teach : Classification de l'aquaponie

La délimitation entre l’aquaponie et les autres technologies intégrées n’est parfois pas claire. Palm et al. (2018) a proposé une nouvelle définition de l’aquaponie, dans laquelle la majorité (> 50 %) des nutriments qui soutiennent la croissance des plantes doivent provenir de déchets provenant de l’alimentation des organismes aquatiques.

L’aquaponie au sens étroit (aquaponics sensu stricto) n’est appliquée qu’aux systèmes hydroponiques et sans utilisation de sol. Certains des nouveaux systèmes aquacoles intégrés qui combinent la production de poissons et d’algues relèveraient également de ce concept. D’autre part, le terme aquaponique au sens large (aquaponics sensu lato) peut être appliqué à des systèmes qui comprennent l’horticulture et les techniques de production agricole qui utilisent les processus de minéralisation, la fonction tampon et la fonction de stockage des nutriments des différents substrats, y compris le sol. Palm et al. (2018) proposent le terme « agriculture aquaponique » pour ces activités.

Tableau 2 : Classification de l’aquaponie selon différents principes de conception avec des exemples pour chaque catégorie (adapté de Maucieri et al. 2018)

L’aquaponie peut atteindre divers objectifs ou intervenants, de la recherche et du développement, des activités éducatives et sociales, à l’agriculture de subsistance et à la production alimentaire à l’échelle commerciale. Il peut être mis en œuvre de diverses manières et environnements, par exemple sur les terres arides et polluées, la production d’arrière-cour, l’agriculture urbaine, etc. Bien qu’un système puisse simultanément atteindre plusieurs objectifs, y compris l’écologisation et la décoration, l’interaction sociale et la production alimentaire, il ne peut normalement pas atteindre tous ces objectifs. en même temps. Pour atteindre chacun des objectifs possibles, les composantes d’un système doivent répondre à des exigences différentes, parfois contrastées. Le choix d’un système aquaponique adapté à une situation particulière devrait se fonder sur des évaluations réalistes (y compris un plan d’affaires solide, le cas échéant) et aboutir à une solution sur mesure. Si nous suivons la classification de Maucieri et al. (2018), qui classe les systèmes aquaponiques selon différentes catégories (par exemple type d’intervenant, mode opérationnel, taille, type de système hydroponique, etc.), plusieurs options pour choisir un système aquaponique approprié émergent (Tableau 2). Toute décision doit être prise dans les limites du budget disponible, bien qu’il soit possible de construire un système à très faible coût.

Classification selon le mode de fonctionnement : étendue (avec utilisation intégrée des boues) et intensive (avec séparation des boues)

Une partie du système aquaponique est le réservoir à poissons, où les poissons sont nourris et, par leur métabolisme, les excréments et l’ammoniac sont excrétés dans l’eau. Cependant, des concentrations élevées d’ammoniac sont toxiques pour les poissons. Grâce aux bactéries nitrifiantes, l’ammoniac est transformé en nitrite puis en nitrate, ce qui est relativement inoffensif pour les poissons et constitue la forme privilégiée d’azote pour les cultures comme les légumes. Une production étendue intègre le biofiltre ainsi que l’élimination des boues directement dans l’unité hydroponique, en utilisant des substrats qui fournissent le support approprié pour la croissance du biofilm, comme le gravier, le sable et l’argile expansée. La production intensive utilise un biofiltre séparé et un système de séparation des boues. Les deux méthodes opérationnelles ont leurs avantages et leurs inconvénients. Alors que l’utilisation intégrée des boues permet un recyclage complet des éléments nutritifs, les aspects négatifs incluent l’eau trouble, et la faible performance des biofiltres, qui ne permettent qu’un stockage limité des poissons. En revanche, l’élimination séparée des boues et le biofiltre permettent un ensemencement intensif des poissons jusqu’à 100 kg/m ou plus³. Les aspects positifs comprennent l’eau claire, la concentration plus faible de la DBO (demande biochimique en oxygène), la charge microbienne plus faible et la performance optimisée des biofiltres. Cependant, ces systèmes ne permettent que le recyclage partiel des éléments nutritifs. Une étape supplémentaire de traitement des boues (sur place ou hors site), telle que la connexion des biodigesteurs de boues ou le vermicompostage, peut être nécessaire (Goddek _et al._2016b).

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Figure 4 : Système aquaponique avec utilisation intégrée des boues

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Figure 5 : Aménagement possible d’un système aquaponique avec séparation des boues

Gestion du cycle de l’eau

Systèmes en boucle fermée (couplés) : les systèmes aquaponiques peuvent être construits et exploités comme une boucle de recirculation, le débit d’eau se déplaçant dans les deux sens, du bassin à poissons à l’unité hydroponique, et vice versa. L’eau circule constamment du RAS à l’unité hydroponique, et revient au RAS.

Systèmes Boucle ouverte : Récemment, il y a eu des développements vers un contrôle indépendant de chaque unité centrale, principalement en raison des différentes exigences environnementales des poissons et des plantes. De tels systèmes, où l’aquaculture, l’hydroponie et, le cas échéant, la reminéralisation des boues de poisson peuvent être contrôlés indépendamment, sont appelés systèmes aquaponiques découplés (DAPS). Les systèmes aquaponiques découplés sont constitués d’un RAS relié à l’unité hydroponique (avec réservoir supplémentaire) par l’intermédiaire d’une vanne unidirectionnelle. L’eau est recirculée séparément dans chaque système et est fournie à la demande du RAS à l’unité hydroponique, mais elle ne s’écoule pas (Goddek et al. 2016a ; Monsees et al. 2017).

La figure 6 présente une illustration schématique de l’aquaponie couplée et découplée. Dans le système couplé (boucle fermée) constitué d’un RAS (bleu : réservoirs d’élevage, clarificateur et biofiltre) directement relié à l’unité hydroponique (vert : plateaux NFT), l’eau circule constamment du RAS à l’unité hydroponique et revient au RAS. Dans le système aquaponique découplé (boucle ouverte) constitué d’un RAS relié à l’unité hydroponique (avec réservoir supplémentaire) par l’intermédiaire d’une vanne unidirectionnelle, l’eau est recirculée séparément dans chaque système et l’eau est fournie à la demande du RAS à l’unité hydroponique, mais ne retourne pas au RAS.

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Figure 6 : Illustration schématique de l’aquaponie couplée (à gauche) et découplée (à droite).

Types de systèmes hydroponiques utilisés en aquaponie

Technique du film nutritif

Dans les systèmes Nutrient Film Technique (NFT), l’eau provenant d’un aquarium est passée à travers le fond d’un tuyau horizontal en PVC, dans un film mince. Ces tuyaux ont des trous coupés dans le haut, dans lesquels les plantes sont cultivées de telle sorte que leurs racines pendent dans l’eau qui coule sur le fond. Les nutriments de l’eau du réservoir sont absorbés par les plantes, et comme leurs racines ne sont que partiellement immergées, cela leur permet également d’être en contact avec l’oxygène atmosphérique.

Tableau 3 : Avantages et inconvénients de la TVN

Figure 7 : Technique du film nutritif (TVN). Gauche — Diagramme d’un système entier. Droite — Photo du système (Photo ZHAW)

Technique de lit média

Les lits remplis de médias sont le design le plus populaire pour les aquaponiques à petite échelle. Ces conceptions utilisent efficacement l’espace, ont un coût initial relativement faible et conviennent aux débutants en raison de leur stabilité et de leur simplicité. Dans les unités de lit médiatique, le médium est utilisé pour soutenir les racines des plantes et fonctionne comme un filtre mécanique et biologique.

Tableau 4 : Avantages et inconvénients de la technique du lit médiatique

 Figure 8 : Technique de lit médiatique. Gauche — Diagramme d’un système entier. À droite — Un exemple de ZHAW Waedenswil (Photo : Robert Junge)

Culture en eau profonde ou en radeaux flottants

Les systèmes de culture en eau profonde (DWC) utilisent un « radeau » en polystyrène qui flotte sur environ 30 cm d’eau. Le radeau a des trous dans lesquels les plantes sont cultivées dans des pots en filet, de sorte que leurs racines sont immergées dans l’eau. Le radeau peut également être placé pour flotter directement dans le réservoir à poissons, ou il peut être pompé de l’eau du réservoir vers un système de filtration puis vers des canaux contenant une série de radeaux. Un aérateur fournit de l’oxygène à la fois à l’eau dans le réservoir et à celle contenant le radeau. Comme les racines n’ont pas de milieu auquel adhérer, ce système ne peut être utilisé que pour cultiver des herbes ou des herbes feuillues, et non des plantes plus grandes. C’est le système le plus populaire à des fins commerciales, en raison de la rapidité et de la facilité de récolte.

Tableau 5 : Avantages et inconvénients de la culture en eau profonde

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Figure 9 : Culture en eau profonde ou en radeaux flottants. Gauche — Diagramme d’un système entier. Droite — Laitue poussant dans un radeau en polystyrène avec des racines suspendues dans l’eau

Utilisation de l’espace : systèmes horizontaux et verticaux

La plupart des systèmes aquaponiques utilisent des réservoirs de culture horizontaux ou des lits, imitant la culture traditionnelle des terres arables pour produire des légumes. Cependant, au fil des ans, de nouvelles technologies de culture verticale et de paroi vivante sont apparues et évoluées qui, lorsqu’elles sont liées à la partie aquaponique du système aquaponique, peuvent permettre à plus de plantes d’être cultivées verticalement plutôt qu’horizontalement, ce qui rend les systèmes plus productifs (Khandaker & Kotzen 2018).

Les systèmes horizontals ont l’avantage d’utiliser efficacement la lumière du jour, et peuvent bien fonctionner sans éclairage supplémentaire, même en hiver. Par conséquent, ils ont une faible consommation d’énergie électrique. Les coûts d’investissement initiaux sont moyens/bas, surtout si le prix du terrain est bas.

Systèmes verticaux présentent une solution optimale peu encombrante, ce qui les rend très appropriés pour les installations urbaines, que ce soit pour la décoration de la production alimentaire hyper-locale. Cependant, ils ont besoin de lumières de croissance au-dessus des lits de croissance. Ils nécessitent également moins de pompes à eau, mais d’une puissance plus élevée, ce qui contribue à une consommation d’énergie électrique plus élevée. Les coûts d’investissement initiaux sont également élevés.

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l’enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l’Université de Greenwich, en collaboration avec l’Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l’Université technique de Madrid (Espagne), l’Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *