Aqu @teach : Technologie du système aquacole de recirculation (RAS)

Un système d’aquaculture en recirculation (RAS) se compose de bassins à poissons et de plusieurs unités de filtration qui nettoient l’eau. Dans un RAS classique, l’eau circule de façon constante depuis les bassins à poissons à travers le système de filtration, puis de retour vers les bassins à poissons (Figure 4). En raison du métabolisme du poisson, l’eau qui sort des réservoirs contient de fortes concentrations de solides, de nutriments et de dioxyde de carbone, alors qu’elle est pauvre en oxygène par rapport à l’eau qui y pénètre. L’objectif des unités de filtration est de réduire les concentrations de solides, de nutriments, de toxines et de dioxyde de carbone, et d’augmenter les niveaux d’oxygène dissous dans l’eau avant qu’elle ne soit renvoyée dans le bassin de poissons.

Le système de filtration se compose de plusieurs étapes (Figure 4). La première étape de traitement après l’écoulement est la séparation des solides (figure 4, point 2) où les solides (restes d’aliments, excréments et assemblages de bactéries) sont retirés de l’eau. Après cela, l’eau est désinfectée avec des UV (Figure 4, Point 6). Cette étape n’est pas toujours mise en œuvre dans les fermes piscicoles et peut également être placée après le biofiltre. L’eau pénètre ensuite dans le biofiltre (figure 4, point 3), où les bactéries métabolisent une partie de la charge organique et oxydent l’ammoniac en nitrite, puis en nitrate. Toutes ces réactions métaboliques bactériennes utilisent de l’oxygène dissous (O₂) et, comme le poisson, libèrent du dioxyde de carbone (CO₂) dans l’eau. Par conséquent, le CO₂ dans l’eau doit être abaissé après biofiltration. Ceci est fait dans l’unité de dégazage dans laquelle la surface de l’eau à l’air est augmentée de sorte que le CO₂ la phase de l’air (figure 4, point 4). En dernier lieu, la concentration d’oxygène dans l’eau doit être augmentée à un niveau approprié pour les poissons. Ceci est fait dans l’unité d’oxygénation (figure 4, point 5). Les sections suivantes décrivent ces composants système plus en détail.

Figure 4 : Principales composantes d’un système d’aquaculture en recirculation (RAS)

Le réservoir à poisson

Le réservoir de poissons est la zone de croissance du poisson et, par conséquent, une composante essentielle d’un RAS. Les modèles de réservoirs « classiques » sont des réservoirs ronds et des canaux d’écoulement carrés. L’un des principaux aspects qui rend les réservoirs ronds favorables par rapport aux canaux d’écoulement carrés est l’effet d’autonettoyage qui peut être obtenu grâce à un circuit hydraulique circulaire (figure 5). Le débit dans les bassins à poissons a deux fonctions : (i) distribution uniforme de l’eau d’entrée et de la nourriture pour poissons ; et (ii) transport des particules vers le centre du réservoir. Le débit rotatif primaire est le débit à partir de l’entrée, puis dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour du réservoir. Il transporte les solides décantables vers le fond. Le débit rotatif primaire crée un flux radial secondaire et, ensemble, ils génèrent un réservoir autonettoyant.

Figure 5 : Rôle des schémas d’écoulement primaire et secondaire : le débit primaire assure une bonne distribution de l’eau de l’entrée et le débit secondaire contribue à l’élimination efficace des solides (adapté d’après Timmons et al. 1999)

Bien que les réservoirs ronds présentent de nombreux avantages par rapport aux réservoirs carrés, leur principal inconvénient (faible efficacité de surface) en fait souvent une solution sous-optimale pour une ferme RAS. Par conséquent, de nombreuses autres formes de citernes ont été mises au point et testées au cours des dernières décennies (plus de détails sont présentés au chapitre 12).

Depuis que RAS a gagné en popularité et que ces systèmes sont également prévus comme des projets à grande échelle (p. ex. Nordic Aquafarms prévoit d’investir dans une ferme RAS de 500 millions de dollars américains à Belfast, Maine, États-Unis), les conceptions de grands réservoirs sont devenues de plus en plus nombreuses. important. Ces grands réservoirs sont souvent (du moins en théorie) beaucoup plus rentables que les plus petits réservoirs traditionnels (figure 6).

Figure 6 : Un grand réservoir rond (6 m de profondeur, 32,5 m de diamètre) faisant partie d’un RAS de saumon (Swiss Alpine Fish)

Les conditions d’écoulement ont un impact important sur la santé des poissons. On peut établir différents débits d’eau et ainsi structurer les bassins hydrauliquement en utilisant des panneaux. De cette façon, les poissons restent dans la partie optimale du réservoir (Figure 7). Il est important de savoir que les nageurs ont besoin de nager, en d’autres termes, ils ont besoin d’un courant. La vitesse du courant doit être adaptée aux espèces de poissons. En général, les poissons plus petits nécessitent une vitesse de courant inférieure, mais ils doivent être suffisamment élevés pour garantir que la séparation des solides fonctionne toujours. Tout cela a également un impact sur la qualité de la chair du poisson.

Figure 7 : Système de débit spécialement développé pour l’élevage du saumon, Swiss Alpine Fish AG, Lostallo, Suisse

Séparation des solides

Il y a plusieurs raisons pour l’élimination des solides. Premièrement, la qualité de l’eau est améliorée en réduisant les solides organiques, ce qui réduit la minéralisation (respiration aérobie) et contribue donc également à stabiliser la teneur en oxygène. Deuxièmement, la préservation de la qualité de l’eau profite également à l’absorption des aliments et au contrôle des stocks. En outre, l’élimination des solides réduit la charge bactérienne, car elle élimine la source de nourriture pour les micro-organismes. Une activité bactérienne élevée dans la colonne d’eau conduit à une consommation inutile d’oxygène.

Un autre avantage de l’élimination des solides est la prévention du colmatage des branchies du poisson, ce qui peut entraîner une croissance lente ou même la mort des poissons. Cependant, cela dépend des espèces de poissons. Les poissons filtrants, comme beaucoup d’espèces de carpes, peuvent même compter sur une certaine quantité de composés en suspension dans leur habitat naturel et peuvent donc également résister à une quantité plus élevée de solides en suspension dans le RAS que, par exemple, les salmonidés (Avnimelech, 2014).

L’une des raisons techniques les plus importantes pour lesquelles les solides doivent être éliminés est le colmatage potentiel du biofiltre (c.f. Chapitre 9). De plus, l’efficacité de la réduction des germes par désinfection (c.f. chapitre 9) est accrue par l’élimination des solides. Les solides présents dans l’eau de poisson ont des tailles différentes, et les traitements utilisés pour éliminer ces solides varient principalement en fonction de leur taille (figure 8).

Le traitement des eaux usées et l’élimination des boues sont des facteurs de coût importants des RAS intensifs. Un RAS nécessite un échange d’eau de 300 à 1 000 l par kg de poisson produit et fournit de 100 à 200 g de boues de poids sec. Pour minimiser le volume d’eaux usées, il est possible de traiter l’eau des boues résultant de la séparation solide. De cette façon, même un système de filtration de faible technologie peut atteindre une réduction significative du volume final des eaux usées.

Figure 8 : Processus d’élimination des solides et plage de granulométrie (en μm) sur laquelle les procédés sont les plus efficaces (adapté après Timmons et Ebeling 2007)

Désinfection

Les maladies bactériennes et virales peuvent poser de graves problèmes dans les RAS intensifs. La désinfection de l’eau par l’ozone ou l’irradiation UV sont les méthodes les plus courantes. La lumière UV à une certaine intensité peut détruire l’ADN de bioorganismes tels que les agents pathogènes et les organismes unicellulaires. Dans le RAS, la lumière UV (figure 9) est principalement entourée d’un court morceau de tuyau entre l’unité de filtration mécanique (p. ex. filtre à tambour) et le biofiltre. L’intensité ou la dose de la lumière UV peut être exprimée en µWS/cm² (énergie par surface). Dans le RAS, la dose UV nécessaire pour tuer (désactiver) environ 90 % des organismes varie entre 2000 et 10 000 µWS/cm². Cependant, pour tuer tous les champignons et les petits parasites, une dose allant jusqu’à 200 000 µWs/cm² doit être nécessaire. Pour une efficacité maximale, il est important de placer la lumière UV après le système de filtration mécanique afin qu’elle ne soit pas bloquée par les solides en suspension.

Figure 9 : Réacteur UV (AKR UV Systems)

L’ajout d’ozone (O₃) est une autre méthode efficace pour réduire les agents pathogènes et autres organismes indésirables dans un RAS. Au contact de l’eau, il se divise en O₂ un radical oxygène libre O. Ce radical « attaque » et oxyde les substances organiques. Il en résulte la dégradation des particules en suspension ou de certaines substances (clarification de la turbidité de l’eau, formation de la couleur par les acides humiques). De même, les parois cellulaires biologiques des organismes sont également attaquées par le radical O de la molécule d’ozone, tuant les bactéries, les algues flottantes et filamenteuses. Cependant, l’ozone est très réactif et peut également nuire aux bactéries nitrifiantes du biofiltre et attaquer les branchies des poissons s’il est appliqué en trop grande quantité. La posologie doit donc être surveillée en permanence. Des agents chimiques peuvent être utilisés pour des traitements ponctuels afin de réduire les concentrations de germes dans l’eau. Le peroxyde d’hydrogène (H_{2O 2}) est couramment utilisé, parfois stabilisé par l’acide peracétique (CH₃CO₃H). Un surdosage peut avoir des effets graves sur la santé des poissons et endommager les bactéries filtrantes.

Tableau 1 : Avantages et inconvénients de la désinfection par les UV, l’ozone et le peroxyde d’hydrogène (H_{2 O2}) dans le RAS

Biofiltration

Le processus de nitrification a lieu dans le biofiltre pour oxyder l’ammonium libre toxique en nitrite toxique et finalement en nitrate non toxique. Les bactéries nitrifiantes sont au cœur du biofiltre. Ces bactéries poussent sur la surface du média filtrant. Le support peut être fixé (par exemple, filtre filtrant) ou mobile (par exemple, filtre de lit mobile). Les bactéries nitrifiantes sont sensibles aux changements de qualité de l’eau dans le système (en particulier le pH et la température), et les changements rapides devraient donc être évités ou effectués par étapes lentes, car autrement de grandes quantités de bactéries nitrifiantes pourraient mourir, ce qui entraînerait des pics d’ammoniac et de nitrite dans le système. De plus, comme les bactéries nitrifiantes sont aérobies, la teneur en oxygène dissous dans le biofiltre doit toujours être maintenue à un certain seuil (en fonction également de la température de l’eau). Les réactions chimiques qui se produisent dans le biofiltre sont expliquées au chapitre 5. Plus de détails sur le choix de la bonne biofiltration sont fournis dans Chapitre 12.

Dégazage et aération

Le transfert de gaz entre la phase liquide et la phase gazeuse se produit lorsqu’il y a une sous-saturation en une phase. La solubilité des gaz dépend de la pression, de la température, de la salinité et de la pression partielle du gaz. Le transfert a lieu sur les surfaces de contact entre le gaz et le liquide. Aération augmente la teneur en oxygène dans l’eau. Dégazage élimine les gaz tels que le dioxyde de carbone de l’eau.

Dégazage

Les gaz, en particulier le dioxyde de carbone résultant de la respiration des poissons et des bactéries, s’accumulent dans l’eau du système. Celles-ci peuvent avoir des effets nocifs sur les poissons si les concentrations deviennent trop élevées. Par conséquent, une unité de dégazage est généralement ajoutée au RAS intensif. La sortie de gaz (dégazage) est obtenue en augmentant la surface de contact entre l’eau et l’air, soit par aération de la colonne d’eau, soit par aspersion d’eau dans l’air. Différents biofiltres ont déjà un effet de dégazage élevé : dans un filtre à filet, l’eau passe à travers l’air, tandis que dans un filtre à lit mobile, l’air passe à travers l’eau. Cela peut donc rendre une unité de dégazage supplémentaire redondante.

Oxygénation

La teneur en oxygène dissous (O₂) est l’un des paramètres les plus importants de la qualité de l’eau dans le RAS et souvent la première contrainte dans les situations d’urgence (par exemple en cas de coupures de courant, de panne de pompe, etc.). Il existe de nombreuses techniques pour enrichir l’oxygène dissous dans l’eau. L’absorption de gaz de l’eau (aération) peut être améliorée en : i) maximisant la zone de contact oxygène/eau en utilisant des tourbillons ou de petites bulles ; ii) maximisant la période de contact oxygène/eau en utilisant un petit diamètre de bulles et/ou en utilisant un débit d’eau lent ; iii) en augmentant la pression (augmente la solubilité) — niveau d’eau, pression (iv) augmentation de la pression partielle de O₂(augmentation de la solubilité) — oxygène pur.

Entrée d’oxygène à haute efficacité

Dans les RAS intensifs, les technologies d’oxygénation dépendent de l’oxygène pur plutôt que de l’aération simple, ce qui devient impossible à appliquer à certaines densités de poissons. L’oxygène est produit sur place avec un générateur d’oxygène ou fourni par une entreprise externe et stocké dans des réservoirs d’oxygène liquide à l’extérieur de l’installation aquacole.

Entrée d’oxygène à faible efficacité

Dans les bassins à poissons étendus, l’apport d’oxygène à faible efficacité est généralement suffisant. Ceci est réalisé en (i) gardant l’eau fraîche, car elle dissout davantage d’oxygène, et (ii) en augmentant le mouvement de l’eau. Différents modes d’aération peuvent le supporter (voir Chapitre 12).

Pompes et fosses de pompage

Une pompe est à RAS ce que le cœur est pour le corps humain. S’il échoue, le résultat peut être catastrophique. Par conséquent, aucune dépense ne devrait être épargnée lors de l’achat d’une pompe. On peut utiliser des pompes à vitesse contrôlée pour réduire le débit si nécessaire. En utilisant une série parallèle de pompes avec clapets anti-retour, les risques de défaillance du système peuvent être réduits. Avant d’acheter une pompe, les pertes de pression dans les tuyaux doivent être calculées, par exemple à l’aide de cette calculatrice en ligne : http://www.pressure- Drop.com/online-calculator/.

*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) . *