Modélisation du système

L’aquaponie
Etudiant: DELVAUX simon
2M2E 2010-11
Le 10 juin 2011.
1
Introduction
L’aquaponie est le mariage de l’aquaculture (élevage d’animaux aquatiques) et de
l’hydroponie (culture de plantes hors-sol grâce à l’apport de nutriments en solution).
Le terme « aquaponie » est assez récent (dans les années 90), mais plus de 3000 ans
avant l’invention de ce mot, les aztèques pratiquaient déjà ce mode de production sur
des lits de roseaux appelés chinampas. A approximativement 1000 AC, le peuple
Aztèque avait construit un important empire en Amérique centrale. Situés au bord du
lac d’eau douce Tenochtitlan, entouré de montagne aux flancs abrupts, ceux-ci ont été
face au problème de trouver des espaces de culture suffisant pour nourrir la population.
Cet obstacle fut contourné grâce à l’intelligente invention de radeaux flottant sur le lac
où ils pouvaient cultiver en abondance.
Ces chinampas étaient des ilots sur pilotis construits dans les lacs peu profonds. Elles
étaient formée de grand rectangles délimités par des pieux et reliés entre eux par un
tressage de joncs. Ces grillages végétaux étaient ensuite recouverts de vase, de tourbe, et
de débris végétaux où étaient plantées des plantes potagères et différentes fleurs. Les
canaux formés entre les différentes chinampas, permettant la circulation en canoë
servaient de lieu d’élevage de poissons, canards et autres organismes aquatiques. Les
plantes bénéficiaient de l’irrigation permanente, par capillarité entre le tressage de jonc,
et d’une eau riche en élément nutritifs. De cette manière, les paysans pouvaient faire
jusqu’à quatre récoltes par ans. Des procédés similaires ont été observés en Egypte
antique et en chine.
L’aquaponie contemporaine a été inventée suite au développement et à la
modernisation de l’aquaculture. En effet, l’aquaculture extensive, demandant une très
grande surface et un renouvellement permanent en eau de qualité, a évolué vers une
aquaculture intensive, soucieuse de son impact sur l’environnement.
L’aquaponie est un model de production alimentaire durable car :
 Les déchets produits par un système biologique servent de source de nourriture
pour le second système biologique.
 L’intégration de poissons et de plantes peut être qualifiée de polyculture.
 La réutilisation de l’eau par bio-filtration et recirculation.
 La production locale d’alimentation de haute qualité nutritionnelle peut favoriser
l’économie locale.
L’aquaponie est une amélioration de deux types de cultures qui, sans fondamentalement
changer la conduite de leur exploitation, peut augmenter les sources de revenus et
diminuer leur impact sur l’environnement. Les cultivateurs en hydroponie voient dans
l’élevage de poissons une source de fertilisant organique, et les pisciculteurs utilisent
des techniques d’hydroponie comme moyen de filtration de leurs eaux usées. Chacun
produisant une nouvelle source de revenus.
2
Bénéfices apportés par l’aquaponie (par McMurtry’s research)




Conservation des ressources en eau (1% de l’eau utilisée en élevage aquacole
traditionnel).
Production intensive de protéines de poisson.
Réduction du coût de production par rapport aux deux productions séparées.
Possibilité de produire des produits alimentaires dans des régions arides et semiarides
La demande journalière en eau (moins de 2%) est très faible par rapport aux systèmes
classiques d’aquaculture ou de maraichage traditionnel. Etant donné que les déchets
métaboliques sont filtrés et capturés par les plantes, la charge polluante de l’élevage de
poissons sur l’environnement est réduite très fortement. Un des avantages par rapport à
l’hydroponie est qu’il n’est pas nécessaire de pratiquer un contrôle permanent des
substances nutritives et un ajustement de ceux-ci, mais que l’apport quotidien de
nourriture aux poissons suffit (dans un système établit). De plus, la production intensive
et intégrée de poissons et de plantes demande une superficie très limitée.
1 cycle urbain. Delvaux Simon.
3
La bio filtration.
L’aquaculture produit différent types de déchets qui dans un système d’élevage
en circuit fermé doivent être retirés de l’eau pour éviter de se transformer en
produits toxiques pour les poissons. Les plus problématiques des déchets
produits par le métabolisme des poissons sont les composés azotés. En effet, les
poissons téléostéens excrètent l’azote sous la principale forme d’ammonium
(NH4+), non d’urée (NH2 CO NH2) comme les mammifères.
Suite à la production d’ammonium par excrétion branchiale, par les
excréments, par la perte de muqueuses ainsi que par la dégradation des aliments
non consommés ; celui-ci devient toxique pour les poissons lorsqu’il se
concentre dans l’eau. En effet, de hauts niveaux de concentrations en ammonium
et en nitrite provoquent la « maladie du sang brun » chez les poissons, qui peut
être comparée à une intoxication au monoxyde de carbone chez les mammifères.
Les nitrites entrent dans le système sanguin par les branchies et va se fixer sur
les globules rouges. Cette hémoglobine, combinée avec des nitrites, forme de la
méthémoglobine incapable de transporter de manière optimale l’oxygène. Suite
à cette intoxication, les poissons meurent par asphyxie, ou deviennent affaiblis et
vulnérables vis-à-vis des attaques pathogènes.
Il est important de savoir qu’en partant d’une concentration de 1ppm en
ammonium (NH4+), peut produire jusqu’à 3 ppm en nitrite. Cela s’explique par la
différence de poids moléculaire. Un atome d’azote dans une molécule
d’ammonium (de poids moléculaire 17) va former une molécule de nitrite
(PM=46) donc 17 ppm de NH4+ vont former 46 ppm de NO₂⁻, soit une élévation
de 2,7fois de la concentration. Similairement, 1ppm de nitrite va produire 1,35
ppm de nitrate. Donc 1ppm d’ammonium produit 3,65 ppm de nitrate.
Pour éviter cela, un traitement biologique peut être mis en œuvre :

La première opération va être l’oxydation de l’ammonium en nitrite, celleci est effectuée par des bactéries du type nitrosomonas sp.
Les nitrites sont des composés extrêmement toxiques pour les poissons bloquant
la diffusion active de l’oxygène par voie branchiale, la concentration maximale
acceptable est de 2ppm.

Les nitrites produits vont à leur tour être oxydés en nitrates par des bactéries de
type nitrobacter sp. et nitrospira sp.
Les nitrates ne sont dangereux pour la vie des poissons qu’à des valeurs de
concentrations très élevées 200-250ppm. Dans un système aquaponique, les
nitrates sont constamment absorbés par les plantes ce qui permet une
exportation de ceux-ci hors du circuit et régule leur concentration.
Trois techniques de culture hydroponique sont utilisées dans l’aquaponie. L’Ebb
and Flow (marée) est la seule qui ne nécessite pas de biofiltre externe car les
plantes sont cultivées dans un substrat minéral qui permet la colonisation par
des bactéries nitrifiantes. En effet, dans le mécanisme de marée, les cuves sont
remplies de matériaux acceptant la fixation des biofilms bactériens et les marées
permettent d’obtenir des périodes inondées et exondées (milieu en aérobie
4
constante). Les deux autres procédés, Nutrient Film technique (NFT) et les rafts
(radeaux), nécessitent un filtre biologique externe pour permettre une
nitrification suffisante. Ces filtres biologiques peuvent fonctionner de différentes
manières (lit bactérien, biomasse fixée sur disque, colonne,…) tant que cela soit
en condition aérobie.
Schématisation du processus.
Bactéries (nitrosomonas et nitrobacter)
Ammonium
(NH₄⁺)
Nitrites(NO₂⁻)
Puis
Nitrates(NO₃⁻)
2 chaine de transformation de l'ammonium. Delvaux Simon
Paramètres du traitement biologique
Pour optimiser la nitrification de l’ammonium par l’action des bactéries, il est
important de tenir compte des paramètres de croissance optimale des
différentes colonies impliquées dans cette oxydation des composés azotés.
Les bactéries nitrifiantes sont de type Nitrosomonas europeae, bactéries
autotrophiques ammoniaque oxydante.
Le second type de bactéries capables de transformer les nitrites en nitrates, sont
classée dans les protéobactéries nitrite-oxydantes, Nitrobacter winogradskyi.
Les paramètres de performances optimales de fonctionnement bio-filtres sont :



température de 25-30 °C
pH de 7 à 8, avec un optimum à 7,6. En effet, les bactéries du type
nitrosomonas ont un optimum de pH situé entre 7,8-8,0, alors que pour
nitrobacter celui-ci se situe entre 7,3 et 7,5.
Saturation en oxygène maximale, une faible DBO (<20 mg/L) et une alcalinité
totale (GH) de 100mg/L ou plus.
5
Cependant, ce biofiltre étant couplé avec un système d’hydroponie et
d’aquaculture ayant des exigences différentes, ces paramètres doivent être
ajustés pour atteindre un optimum de fonctionnement du système entier.
Un température de 25-28°C et un pH de 7,4 conviennent parfaitement à une
production aquaponique de tilapias.
Modélisation du système
Un système aquaponique est un circuit hydraulique (presque) fermé contenant
une réserve d’eau, le bassin d’aquaculture, un système d’apport d’eau résiduaire
jusqu’au site d’hydroponie, et un système de retour de l’eau filtrée jusqu’au
bassin d’aquaculture. D’autres composants peuvent être ajoutés tels qu’un
décanteur pour les particules grossières et un bio-filtre externe. Lorsque le
système de culture hydroponique manque d’oxygénation ou ne contient pas
assez de matériaux solides, aptes à recevoir la flore bactérienne nitrifiante (NFT
et raft), l’ajout d’un bio-filtre est fortement recommandé pour réaliser la tâche la
transformation de l’ammonium. Ceci n’est pas le cas lorsque la croissance des
plantes se fait sur un substrat tel que des graviers, des billes d’argex ou autres,
ayant une surface spécifique élevée pouvant accueillir les bactéries nitrifiantes
en grand nombre et fonctionnant tel un lit bactérien. Ces bacs de culture peuvent
être inoculés et colonisés par des vers décomposeurs tels que les lombrics qui
sont aisément capables de survivre grâce à la haute concentration en oxygène de
l’eau produite par les marées.
Ebb and flow.
Dans les systèmes « ebb and flow » (de marées), la demande en oxygène (DO) de
l’eau a peu d’importance car les bio films vont être en contact direct avec
l’oxygène atmosphérique lors des phases de vidange. Dans ce type de milieu de
culture composé de matériaux inertes, le développement de bio film bactérien et
la production de déchets végétaux ainsi que d’excréments de poissons va
conduire petit a`petit au colmatage de celui-ci, ce qui peut créer des zone
anaérobies… c’est pourquoi l’usage de lombrics tels que Eisenia est recommandé
pour minéraliser ces dépôts organiques. Le choix des matériaux de structure des
lits de plantation se fait en fonction du coût du matériau, de la disponibilité de
celui-ci pouvant réduire les besoins de transport et donc son empreinte
écologique, de sa surface spécifique et de sa masse volumique. Le gravier
(pierres concassées) peut apporter, dépendant de sa composition, différents
nutriment bénéfiques aux plantes ou au tamponnage du système aquaponique
(par exemple le gravier calcaire stabilisant le pH dans des valeurs proches de la
neutralité. Cependant, le gravier a de nombreux désavantages tels que le fait
qu’une masse volumique élevée demandant une structure du support très solide,
il est facilement colmatable. La forme des pierres est fortement variable ce qui
rend sa manutention (excavation et lavage) difficile. Enfin, la plantation dans le
gravier peu être difficile et l’angulosité des graviers peu abimer les racines et les
tiges, lors qu’il y a du vent par exemple.
6
Le sable peut être utilisé aussi, mais il faut tenir compte de sa rétention en eau
plus grande (vu sa densité plus élevée) et de la plus grande difficulté de
manutention (si courant et pas de filtre/décanteur >érosion).
Enfin les matériaux expansés tels que la perlite ou l’argex. Ces matériaux ont un
coût relativement plus élevés, une très grande surface spécifique bénéfique à la
colonisation bactérienne, une aptitude à flotter, une masse volumique faible et
sont souvent peu abrasifs.
3 prototype de système Ebb and Flow. réf Delvaux Simon, Eco-Innovation 25.04.2011
NFT
Les systèmes NFT (Nutrient Film Technique) consiste à faire passer en continu
un film d’eau sous les racines des plantes qui en retirent l’eau, les nutriments et
l’oxygène nécessaires à leur croissance. Pour faire ce type de technique
hydroponique, il suffit de faire des trous dans un tube, d’y placer des pots pour
plantes aquatiques contenant les plantes et de faire s’écouler un film d’eau. Ce
procédé peu couteux, léger et mobile ne contient cependant pas de milieu apte à
contenir la flore bactérienne nitrifiante. Il faut donc soit ajouté au système un
filtre bactérien, soit utilisé un système « ebb and flow » en amont. De plus, il
faudra une surveillance particulière des dépôts pour éviter les colmatages.
7
4 Système de culture NFT. réf The No.1 Aquaponics magazine for the backyard enthusiast. summer
2007
Raft
La technique des rafts ou radeaux, est la plus utilisée pour la culture de légumes
« feuilles » tels que de salades, mais peut aussi être utilisée pour des cultures de
tomates, de cucurbitacées, etc. les plantes sont placées sur un radeau composé
d’une plaque en polystyrène expansé flottant à la surface de l’eau, ou sur une
plaque opaque posée sur la structure du bassin. Celui-ci doit avoir une
profondeur de plus ou moins 40 cm où l’eau est renouvelée régulièrement, ou
continuellement. Pour un résultat optimal il est recommandé de faire passer
l’eau préalablement dans un filtre biologique comme pour le système NFT.
Les avantage de ce procédé sont assez nombreux car les il permet une
exposition maximale des racines dans l’eau de culture, il y très peu de problème
de colmatage et permet la culture en densité de plantation très élevée. De plus,
les radeaux généralement de couleur blanche opaque, protègent l’eau des rayons
de soleil évitant ainsi une élévation excessive de la température de l’eau.
Cependant, il faut prêter attention au fait que les racines des plantes peuvent
être attaquées par des organismes associés au système aquaponique. Le zoo et
phytoplancton sont capables de consommer les radicelles et retarder plus ou
moins fortement la croissance. Il faut éviter au maximum la présence
d’escargots, de jeunes poissons herbivores et de têtards dans ce bassin
d’hydroponie. Pour cela on peut utiliser des modes de lutte biologique tel que
élevé un très faible nombre de poissons prédateurs.
8
5 culture sur raft. réf. The No.1 Aquaponics magazine for the backyard enthusiast Issue 7 Winter
2009.
Dimensionnements
Le calcul du rapport entre les différents composants d’un système aquaponique
et assez original. En effet, on calcule la superficie de culture hydroponique par
rapport, non pas au volume d’eau à traiter, mais à la quantité de nourriture
apportée pour nourrir les poissons. La consommation de nourriture variant en
fonction du stade de développement des poissons, des rotations de cohortes de
différents stades est donc recommandé. De même pour les rotations des plantes.
On estime que pour 1m2 de culture NFT et Ebb and Flow, il faut 25g de
nourriture administrée par jour. Cette quantité peut être multipliée par 4 dans le
système de raft car la dilution engendrée par la grande quantité d’eau située sous
les rafts est beaucoup plus grande. La densité maximale admise par un système
d’aquaculture en circuit fermé peut être très élevée. En aquaponie, la densité
maximale est de 0.5 pound/gallon d’eau du bassin d’aquaculture (0,06 kg/L).
Avec ces différents paramètres, j’ai réalisé un tableau d’optimalisation, comme
vous pouvez le voir plus bas.
9
surfaces de culture
dont sous raft
surface totale (m²)
besoins en aliments journalier (kg)
biomasse de poissons produite
(Kg)
nombre de poissons par an
taille des
bassins
bacs
30
30
0,75 annuellement
273,75
poid final/poisson (Kg) densité (kg/L)
1
0,070
0,06
51,0247093
2
0,170
0,06
123,9171512
3
0,300
0,06
218,6773256
4
0,450
0,06
328,0159884
volume total (m³)
0,721635174
%
aquaculture/total
24,69970175
161,5125
375,610465 poid poisson entrée
Sortie (kg)
durée de croissance (jours)
quantité de bacs d'élevage
170
4
taille des rotations (Nbre de
poissons)
44
0,02
0,45
volume bac (L)
volume
cultures (m3)
2,200
10
Bibliographie










The No.1 Aquaponics magazine for the backyard enthusiast. Magazines 1-7.
Simplified Aquaponics Manual By Drs. Paul & Bonnie Range Unless otherwise noted
With research, help & advice from: Travis Hughey and Ed & Gloria Haswell Paul &
Bonnie Range.
OPTIMIZATION OF A BACKYARD AQUAPONIC FOOD PRODUCTION SYSTEM KEITH
CONNOLLY and TATJANA TREBIC Faculty of Agricultural and Environmental
SciencesMacdonald Campus, McGill University, 4/14/2010.
AquaGuideBook
Aquaculture en circuit fermé (aquaponie) Cours pour gardes-pêche 16 mai 2008,
Spiez Exposé d’Andreas Graber,Service Ecotechnologie
Recirculating Aquaculture Tank Production Systems: An Overview of Critical
Considerations - SRAC Publication No. 451
Recirculating Aquaculture Tank Production Systems: Management of Recirculating
Systems -SRAC Publication No. 452
Recirculating Aquaculture Tank Production Systems: A Review of Component
Options -SRAC Publication No. 453, revised 1999
Recirculating Aquaculture Tank ProductionSystems: Integrating Fish and Plant
Culture -SRAC Publication No. 454
Integrated aquaculture, hydroponics and vermiculturefor food production rooftops?
David J Midmore andBrett RoeCentre for Plant and Water Science,Central
Queensland University.
11