Modélisation du système

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L’aquaponie
Etudiant: DELVAUX simon
2M2E 2010-11
Le 10 juin 2011.

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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.

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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 semi-
arides
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.

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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, celle-
ci 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

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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.
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.
Ammonium
(NH₄⁺)
Nitrites(NO₂⁻)
Puis
Nitrates(NO₃⁻)
Bactéries (nitrosomonas et nitrobacter)