Aqu @teach : Le biofiltre

Le biofiltre est le cœur de tout système aquacole recirculant. La santé des poissons, et donc le succès économique, dépendent du bon fonctionnement du biofiltre. Les niveaux élevés d’ammoniac et de nitrite dans les bassins à poissons peuvent être causés par plusieurs facteurs. L’un d’entre eux peut être mal conçu ou sous-optimal fonctionnement du biofiltre (trop petit, pas mélangé uniformément, niveaux de nitrate trop élevés, pH trop bas, intoxication du biofiltre par le sel ou un traitement médical, aération trop faible ou trop élevée, etc.). L’autre aspect principal de la défaillance de la conception est une recirculation insuffisante de l’eau. Le biofiltre ne peut que dégrader ce qu’il reçoit de l’aquarium. Si le taux de recirculation est trop faible, même un biofiltre trop dimensionné ne conduira pas à une bonne qualité de l’eau. Pour éviter cela, suivez l’exemple du Chapitre 2 pour calculer le taux de recirculation correct pour votre système.

Un biofiltre séparé est-il nécessaire ?

Dans les systèmes à faible densité d’ensemencement des poissons, un lit de milieu de culture peut prendre le rôle d’élimination des solides et de biofiltration. Si la charge des solides est trop élevée, des zones de colmatage et d’anaérobie peuvent se produire, ce qui réduit l’efficacité de la biofiltration. Par conséquent, si le lit de croissance doit fonctionner comme un biofiltre, il est recommandé d’utiliser un stock de poissons très bas ou un dispositif séparé d’élimination des solides.

Choisir le biofiltre

Le type de biofiltre le plus couramment utilisé en aquaponie et dans le RAS est le réacteur à biofiltre à lit mobile (MBBR) (figure 13, tableau 6). Le média d’un filtre à lit mobile est constitué de petites structures en plastique (1-2 cm) avec une surface spécifique élevée (par exemple Kaldness k1). Ce média filtrant est maintenu en mouvement constant par aération (par exemple par l’entrée d’air à travers des plaques d’air situées au fond du réservoir de biofiltre). Le mouvement constant du média a un effet autonettoyant sur le média filtrant et empêche la prolifération de bactéries étendues. Pour le nettoyage, le filtre de lit mobile doit être déconnecté du RAS, puis lavé à contre-courant environ une fois par semaine.

Le milieu porteur soutient la croissance du biofilm microbien en fournissant une grande surface. Typiquement, les MBBR sont remplis de 40 à 60 % avec des biocarriers, créant une surface absolue de 300 à 600 m²/m³volume de bioréacteur. Le mouvement de l’air crée des forces de cisaillement sur les biofilms et maintient la croissance et la dégradation du biofilm en équilibre. Si le biofilm sur les supports devient trop épais, alors l’aération est trop faible, et si elle est inexistante, alors l’aération est trop élevée. L’un des principaux avantages du MBBR est le dégazage et l’aération par flux d’air, qui n’est pas fourni par des filtres à lit fixes.

Les filtres à lit fixés ont un média biofiltre fixe. Le filtre à lit fixe fonctionne également comme un dispositif d’élimination des solides car il possède des capacités de filtration pour filtrer les restes solides et les composés organiques qui n’ont pas été filtrés dans l’unité de séparation des solides. Si la charge organique est plus élevée que la dégradation naturelle sur la surface, le gâteau filtrant peut être bouché par la croissance de particules et de bactéries. Le filtre doit être régulièrement lavé à contre-courant et l’eau de lavage à contre-courant doit être traitée séparément (par sédimentation, etc.). (tableau 6).

Filtres filtrants sont le dernier des trois types de filtres courants et fonctionnent en filtrant de l’eau à travers un tas de supports de biofilm. Le plus grand avantage du filtre filtrant est l’effet de dégazage élevé à travers la surface élevée de l’eau à l’air causée par le ruissellement. Le principal inconvénient sont les coûts de pompage élevés nécessaires pour amener l’eau à la hauteur requise. Comme ces porteurs ne sont pas déplacés régulièrement comme dans un MBBR, le biofilm s’épaisse sur ces supports et réduit le taux de nitrification. Les filtres filtrants sont très courants en aquaponie, car ils permettent l’échange de gaz (dégazage du CO₂ et aération) en une seule étape. En outre, ils ont seulement besoin de circulation d’eau et aucun dispositif d’aération supplémentaire comme MBBR (par exemple un ventilateur), ce qui en fait un système très facile à construire.

Figure 13 : Deux versions de biofiltres en milieu mobile sous-optimal : (à gauche) biofiltre contenant trop de puces (photo R. Bolt) ; (à droite) biofiltre sans aération (photo : U. Strniša)

Tableau 6 : Types de biofiltres et leurs avantages et leurs inconvénients en termes de performance du système : réacteur à biofilm à lit mobile (MBBR), filtre à lit fixe et filtre filtrant

Type de biofiltre	Construction de base	Avantages et inconvénients
Réacteur de biofilm à lit mobile (MBBR		Nitrification ++ Filtration - Dégazage +
Filtre à lit fixe		Nitrification + Filtration + Dégazage -
Filtre Trickling		Nitrification +Filtration -Dégazage ++ (en cas d'aération) -

Dégazage et aération

Le ou les bassins à poissons, le biofiltre et le ou les lits de culture nécessitent tous une aération appropriée. Il y a plusieurs façons d’y parvenir, y compris l’utilisation de pompes de levage à air, de pulvérisations à eau, de roues à palettes, de rotors, de soufflantes et de compresseurs. Comme pour le pompage de l’eau, l’aération de l’eau doit être fiable et économe en énergie. L’aération dans les petits systèmes peut être assurée en utilisant une pompe à air économe en énergie et de longue durée et des tubes en vinyle de qualité alimentaire reliés à des pierres à air placées au fond ou à proximité des réservoirs et des lits de culture. Les pompes à air ne sont généralement pas assez grandes pour aérer les systèmes de plus grande taille, qui ont tendance à utiliser une souffleuse régénératrice ou un générateur d’oxygène.

En aquaponie, des pompes à air et des pierres à air sont utilisées pour forcer l’air dans l’eau afin de fournir de l’oxygène aux racines des plantes et aux poissons. Les pompes à air sont largement disponibles dans une variété de tailles, de très petites à très grandes, avec une capacité de fonctionner d’une à plusieurs pierres, chacune d’entre elles introduisant des centaines de minuscules bulles d’air frais et riche en oxygène dans la solution. Bien qu’il soit plus facile de sortir de l’air d’une pierre à air qui se trouve dans une eau peu profonde, vous n’obtenez pas autant d’oxygène dans l’eau que vous le faites si la pierre à air est plus profonde. Lorsque la pierre à air est plus profonde, le grand nombre de bulles qui sortent est plus petit en raison de la pression d’eau plus élevée, qui ensemble ont une surface plus grande que moins de bulles plus grandes, et elles doivent se déplacer plus loin jusqu’à la surface, l’eau environnante absorbant l’oxygène des bulles jusqu’à le haut du réservoir où ils ont éclaté à la surface.

Entrée d’oxygène à haut rendement

Les techniques d’oxygénation de base sont le tube en U, le cône d’oxygénation et l’oxygénateur à faible tête (figures 14-16, tableau 7).

Tableau 7 : Caractéristiques des différentes possibilités d’enrichissement en oxygène à haut rendement dans le RAS

Une technologie simple d’oxygénation pour dissoudre l’oxygène dans l’eau du système est le « tube U** » (Figure 14). L’oxygène est injecté au fond d’un tuyau de 10 à 30 m de profondeur à travers lequel l’eau du système circule. En raison de la tête hydraulique élevée, la haute pression conduit à une forte dissolution de l’oxygène dans la colonne d’eau. Cependant, comme cette technique exige que les structures soient construites en profondeur dans le sol, la méthode n’est souvent pas réalisable dans la pratique.

Figure 14 : Tuyau en U

Un cône d’oxygénation (figure 15) utilise le même principe qu’un tube en U. La différence est que la pression hydraulique élevée est induite par une pompe (qui utilise beaucoup d’énergie). Cette technologie est particulièrement adaptée pour couvrir les pics de demande d’oxygène, et elle a une grande efficacité en termes de dissolution d’oxygène.

Figure 15 : Cône d’oxygène pour dissoudre l’oxygène pur à haute pression Source : Timmons et Ebeling 2007 (gauche), Bregnballe 2015 (droite)

Le oxygénateur à faible tête (LHO) (figure 16) utilise une autre méthode d’enrichissement en oxygène. L’eau s’écoule à travers une plaque perforée et provoque une surface élevée de l’eau à la surface du gaz dans la chambre de mélange située en dessous. Les LHO fonctionnent très économiquement, bien qu’ils ne puissent pas atteindre des concentrations d’oxygène aussi élevées que les cônes.

Figure 16 : Oxygénateur à faible tête

Enrichissement en oxygène à faible efficacité

La figure 17 et le tableau 8 montrent différentes possibilités d’enrichissement en oxygène à faible rendement.

Figure 17 : Différentes possibilités d’enrichissement en oxygène à faible rendement en aquaculture

Tableau 8 : Caractéristiques des différentes possibilités d’enrichissement en oxygène à faible rendement dans le RAS

*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) . *