Technologies de traitement de l'eau en RAS

Introduction

Les systèmes d'aquaculture en recirculation (RAS) utilisent une suite de systèmes intégrés Traitement de l'eau Technologies permettant de maintenir les paramètres précis de qualité de l'eau requis pour les opérations d'aquaculture intensive. L'efficacité du système repose sur cinq domaines de traitement essentiels : l'élimination des matières en suspension par des procédés de filtration mécanique et biologique, l'élimination de l'azote ammoniacal toxique par biofiltration et nitrification, l'élimination du dioxyde de carbone accumulé par des unités d'échange gazeux spécialisées, la désinfection complète par irradiation ultraviolette ou ozonation pour contrôler les agents pathogènes, et des techniques avancées d'oxygénation pour maintenir des niveaux optimaux d'oxygène dissous.

Ces technologies interconnectées fonctionnent en synergie pour créer un environnement aquatique stable, propice à des densités de peuplement élevées, tout en permettant des taux de réutilisation de l'eau supérieurs à 90 %, réduisant ainsi considérablement la consommation d'eau et les rejets environnementaux par rapport aux systèmes aquacoles conventionnels. L'intégration adéquate de ces composants de traitement est essentielle au maintien de la santé des poissons, à l'optimisation des performances de croissance et à la viabilité économique globale des exploitations aquacoles.

Cinq technologies clés

1. Matières en suspension et technologies de traitement

Dans les systèmes aquacoles industrialisés, les matières en suspension proviennent principalement des apports alimentaires. Leur concentration varie généralement de 5 à 50 mg/L, selon le taux d'alimentation. Avec un indice de conversion alimentaire (IC) de 0,9 à 1,0, 150 à 200 grammes de matières en suspension sont générés pour chaque kilogramme de gain de poids des poissons. Par conséquent, les matières en suspension s'accumulent rapidement dans l'eau de recirculation.Eau d'aquaculture.

Dans des conditions métaboliques normales, les poissons excrètent des déchets solides sous forme de particules en suspension. Dans l'eau courante d'aquaculture, la plupart des solides en suspension se présentent sous forme de particules inférieures à 30 microns (μm). Ces particules ont une densité légèrement supérieure à celle de l'eau, sont de petite taille, très mobiles et légèrement adhérentes, et restent en suspension dans l'eau courante. L'élimination des solides en suspension de moins de 30 microns est depuis longtemps un objectif essentiel dans la conception des systèmes d'aquaculture industrialisés.

L'accumulation de matières en suspension augmente la turbidité de l'eau, altère l'efficacité respiratoire des espèces d'élevage, accroît le stress environnemental, dégrade la qualité de l'eau et épuise l'oxygène dissous (OD). Par conséquent, l'élimination rapide des matières en suspension est essentielle au maintien de conditions d'eau optimales dans les exploitations aquacoles industrielles.

1Filtration à lit fixe

Les filtres à lit fixe sont généralement constitués de couches de média filtrant grossier, moyen et fin. Selon la dynamique de l'écoulement de l'eau, ils sont classés en :

• Filtres de type spray
• Filtres à pression

Avantages : La granularité réglable du média et l'épaisseur du lit permettent une élimination ciblée des particules en suspension.
Défis : Encombrement important, faible efficacité, sujet au colmatage lors d'un fonctionnement prolongé et lavage à contre-courant difficile.

②Filtration par écran

La filtration sur tamis utilise des mailles fines (30–100 μm / 0,03–0,1 mm) pour éliminer les solides en suspension, avec deux types principaux :

• Écrans statiques (à écran plat)
• Tamis à tambour rotatif (plus efficace, avec un lavage à contre-courant continu)

Performance:

• Supprime 36 à 67 % de matières en suspension; des tailles de maille plus petites (

Axes de recherche : Optimisation de la géométrie du maillage pour augmenter la surface, éviter le colmatage et minimiser l'utilisation de l'eau de lavage à contre-courant.

③Filtration sur lit flottant

Utilisations sphères en plastique basse densité (par exemple, 3 mm de diamètre) comme média filtrant flottant.

Efficacité:

• Suppression à 100 % de particules > 30 μm
• 79% d'élimination de particules

Défis : Un lavage à contre-courant fréquent est nécessaire en raison de l'agglomération des particules, ce qui augmente les coûts d'eau et d'exploitation.

Travaux futurs : Conceptions anti-colmatage et méthodes de lavage à contre-courant améliorées.

④Sédimentation naturelle

Utilise des bassins de décantation ou des conceptions de réservoirs pour agréger et éliminer les solides en suspension.

Paramètres clés :

• Vitesse d'écoulement:Optimal ≤1 m/min (max 4 m/min)
• Taux de charge hydraulique: 1,0–2,7 m³/(m²·h)

Efficacité: Supprime 59 à 90 % de matières en suspension, mais de grandes infrastructures sont nécessaires pour s’adapter aux faibles débits.

⑤Flottation à air dissous (DAF)

Principe:Les microbulles (10–100 μm) agissent comme une couche de « filtrage », adsorbant les solides en suspension via la tension superficielle.

Facteur critique:Des bulles plus petites (par exemple, des nanobulles) améliorent considérablement l’efficacité.

Application:Efficace pour les solides en suspension à forte charge, mais repose sur une technologie avancée de génération de bulles.

2. Azote ammoniacal et ses technologies de traitement

L'azote ammoniacal dans les systèmes d'aquaculture en recirculation provient principalement du métabolisme des poissons, des résidus alimentaires et de la décomposition de la matière organique. Seulement 7 à 32 % de l'azote total excrété par les poissons d'élevage est contenu dans les matières en suspension, tandis que la majeure partie se dissout dans la colonne d'eau, sous forme d'ammonium ionisé (NH₄⁺) et d'ammoniac non ionisé (NH₃), qui s'interconvertissent en fonction des variations de pH et de température. Une gestion efficace de l'azote ammoniacal dans l'eau en recirculation, par des méthodes de traitement physiques, chimiques et biologiques, constitue un facteur essentiel pour promouvoir une production aquacole intensive.

L'accumulation d'azote ammoniacal a des effets toxiques sur les poissons, l'ammoniac non ionisé (NH₃) étant particulièrement nocif. Dans les systèmes d'aquaculture intensive, la concentration totale d'azote ammoniacal ne doit généralement pas dépasser 1 mg/L, tandis que la concentration d'ammoniac non ionisé doit rester inférieure à 0,05 mg/L. Compte tenu de l'équilibre entre NH₄⁺ et NH₃, dépendant du pH et de la température, un ajustement approprié du pH en fonction des fluctuations de température est essentiel pour maintenir l'ammoniac non ionisé à des concentrations minimales tout en contrôlant l'accumulation globale d'ammoniac.

1 Traitement par décapage à l'air

Principe:

Le stripping à l'air repose sur l'équilibre gaz-liquide et la loi de Henry sur le transfert de masse. Sous une aération intense, la pression partielle des gaz dissous diminue, ce qui permet à l'ammoniac présent dans l'eau de se volatiliser à travers l'interface gaz-liquide et de se transférer dans l'air, éliminant ainsi l'azote ammoniacal.

Facteurs clés :

• Dépendance au pH :

À un pH plus élevé, la majeure partie de l’azote ammoniacal existe sous forme d’ammoniac non ionisé (NH₃), qui est plus volatil.

• Conditions optimales :

À un pH de 11,5 avec un rapport volumique air/eau de 1:107, 95 % de l'azote ammoniacal peut être éliminé.

Considérations opérationnelles :

• Ajustement du pH :

Essentiel pour équilibrer l’efficacité du traitement et la sécurité des poissons (en évitant un stress de pH extrême).

• Besoin élevé en débit d'air :

De grands volumes d’air sont nécessaires, ce qui peut affecter la stabilité de la température de l’eau dans les systèmes d’aquaculture.

②Adsorption par échange d'ions

L'adsorption par échange d'ions utilise de la zéolite ou des résines échangeuses d'ions pour éliminer l'azote ammoniacal de l'eau. La zéolite présente une capacité d'adsorption d'environ 1 mg/g. Bien conçue, elle peut éliminer jusqu'à 95 % de l'azote ammoniacal. Une fois saturé, le milieu peut être régénéré par pulvérisation 24 heures sur 24 d'une solution saline à 10 % pour être réutilisé. Si la zéolite présente de bonnes performances dans les systèmes d'aquaculture intensive, son processus de régénération est long et fastidieux.

③Traitement bactérien biologique

Le traitement biologique utilise des bactéries nitrifiantes (Nitrosomonas), oxydantes les nitrites (Nitrobacter) et dénitrifiantes pour convertir et éliminer l'azote ammoniacal. Le procédé comprend :

• Oxydation de l'ammoniac en nitrite par Nitrosomonas
• Oxydation des nitrites en nitrate par Nitrobacter
• Dénitrification facultative en azote gazeux dans des conditions anaérobies (DO

Caractéristiques principales :

• Le nitrate présente une faible toxicité pour les poissons (certaines espèces tolèrent > 200 mg/L)
• Taux de conversion typique : 380 g/(m³·j) d'azote ammoniacal
• Capacité de charge d'alimentation : 32 kg/(m³·j)
• Température optimale > 30°C (l'activité diminue en dessous de 15°C)

④Traitement par oxydation à l'ozone

Bien qu'il soit principalement utilisé pour la désinfection et l'élimination des solides en suspension, l'ozone présente une capacité d'oxydation modérée de l'ammoniac :

• L'oxydation directe élimine 25,8 % de l'azote ammoniacal
• L'oxydation catalytique améliore considérablement l'efficacité

Cette approche prometteuse nécessite des recherches supplémentaires pour les applications en aquaculture.

⑤Traitement des plantes aquatiques

L'eau de queue traverse des canaux hydroponiques pour légumes où les systèmes racinaires des plantes créent des écosystèmes microbiens uniques qui éliminent de manière rentable l'azote ammoniacal, les nitrites et d'autres composés nocifs.

3. Traitement de décapage au CO₂

Le principal gaz nocif dans les systèmes d'aquaculture en recirculation est le dioxyde de carbone (CO₂), produit par la respiration et le métabolisme des poissons, présent sous forme de microbulles dans l'eau. Des concentrations élevées de CO₂ (> 20 mg/L) provoquent un stress gazeux chez les poissons, qui se manifeste par :

• Encombrement de surface à proximité des dispositifs d'aération
• Réduction significative de l'activité alimentaire

Le CO₂ réagit de manière réversible avec l'eau pour former de l'acide carbonique (H₂CO₃), un acide faible qui abaisse le pH du système et détériore la qualité de l'eau. Très instable, l'acide carbonique se décompose facilement en eau et en CO₂ au contact de l'air. Une élimination efficace du CO₂ nécessite donc de maximiser le contact eau-air.

1 Élimination mécanique (aération)

• Utilise des aérateurs ou des diffuseurs pour créer une circulation d'eau verticale
• Améliore les échanges atmosphériques pour la décomposition de l'acide carbonique
• Méthode standard dans la plupart des opérations RAS

②Suppression de la conception hydraulique

• Intègre des dénivelés entre les tuyaux de retour et les canaux
• Crée des effets de cascade pour maximiser l'exposition à l'air lors du retour de l'eau
• Approche passive nécessitant une ingénierie hydraulique minutieuse

③Décapage par microbulles

• Installe des diffuseurs à fines bulles le long des canaux d'eau
• Exploite la coalescence des bulles pour capturer le CO₂ dissous
• Les bulles ascendantes transportent le CO₂ vers la surface pour être libéré dans l'atmosphère.
• Particulièrement efficace pour les systèmes à haute densité

Paramètres clés :

• Seuil critique : 20 mg/L CO₂ (stress comportemental observable)
• Plage optimale :
• Interaction du pH : Chaque 10 mg/L de CO₂ ≈ 0,1 unité de pH diminue

4. Désinfection et stérilisation

Dans les systèmes d'aquaculture intensive, les fortes densités de peuplement et les apports alimentaires importants entraînent une accumulation de nutriments dans l'eau, créant ainsi des conditions idéales pour la prolifération bactérienne. Sans désinfection rapide, des épidémies peuvent survenir et se propager rapidement dans des conditions de forte densité, entraînant des pertes potentiellement catastrophiques. Il est donc essentiel d'intégrer des équipements de stérilisation efficaces à la conception du système. Les principales méthodes de désinfection comprennent :ozonation et irradiation ultraviolette (UV).

1Désinfection à l'ozone

L'ozone (O₃) est un agent oxydant extrêmement instable et puissant qui détruit les membranes cellulaires des bactéries, des virus et des parasites à des concentrations spécifiques. Des études indiquent que le maintien d'un niveau d'ozone compris entre 0,1 et 0,2 mg/L pendant 1 à 30 minutes permet une stérilisation optimale.

Avantages supplémentaires :

• Précipite les solides en suspension
• Oxyde l'azote ammoniacal (NH₃/NH₄⁺ )

Si son efficacité multifonctionnelle est améliorée, l’ozone pourrait voir une application plus large dans l’aquaculture intensive.

②Désinfection par ultraviolets (UV)

Les recherches confirment que la lumière UV à des longueurs d’onde spécifiques (180–300 nm) stérilise efficacement les agents pathogènes.

Paramètres clés :

• Intensité UV requise : 15 000–30 000 µW/cm²
• À 30 000 µW/cm²L'exposition aux UV permet :
  • Inactivation à 100 % du virus des taches blanches de la crevette (WSSV) en 2,67 secondes
  • Élimination de la saprolégniose (moisissure aquatique) et des hémorragies viralessepticémie (VHS) en 1,60 seconde

Systèmes hybrides UV-Ozone :
Certaines études ont testé des générateurs d’ozone UV, qui produisent de l’ozone en plus de la désinfection UV, permettant une stérilisation et une oxydation de l’ammoniac simultanées pour une efficacité accrue.

5. Technologies d'oxygénation

L'oxygène dissous (OD) dans l'eau d'aquaculture est essentiel à la survie des poissons et à l'activité microbienne dans les systèmes de traitement. Dans les systèmes d'aquaculture intensive, les niveaux d'OD doivent être maintenus à :

• ≥ 60 % de saturation ou > 5 mg/L pour la croissance normale des poissons
• Les bactéries nitrifiantes perdent leur fonction d'oxydation de l'ammoniac

Principaux consommateurs d’oxygène :

• La respiration des poissons
• Décomposition des déchets métaboliques
• Traitement microbien à l'ammoniac

La demande en oxygène varie selon les espèces, la densité de stockage et les taux d’alimentation, ce qui nécessite des stratégies d’oxygénation adaptées dans la conception du système.

1Aération (oxygénation par l'air)

En raison de l'espace limité pour les aérateurs mécaniques, des systèmes de soufflage + diffuseur sont couramment utilisés, générant de petites bulles pour l'oxygénation.

Caractéristiques:

• Avantages: Faible coût, fonctionnement facile
• Limites: Faible rendement (~1,300 kg O₂/kWh à 20 °C ; chute à 0,455 kg O₂/kWh à 28 °C)
• Densité de peuplement maximale: 30–40 kg/m³

Méthodes d'aération courantes :

• Aération diffuse (par exemple, diffuseurs à fines bulles)
• Aérateurs à roue à aubes
• Agitateurs de surface (par exemple, les aspirateurs à hélice)

2. Injection d'oxygène pur

Sources d'oxygène :

• Bouteilles d'oxygène comprimé
• Réservoirs d'oxygène liquide
• Générateurs d'oxygène sur site

Les défis des méthodes traditionnelles :

• Faible efficacité (≤ 40 % d'utilisation) en raison de la fuite d'oxygène
• Nécessite un équipement spécialisé pour une dissolution optimale

Méthode de saturation de pression (solution à haute efficacité) :

• Mélange à haute pression:L'eau et l'O₂ se saturent sous pression.
• Relâchement à la pression atmosphérique: Crée de l'eau DO sursaturée (~90 % d'utilisation d'O₂).
• Diffusion moléculaire:L'oxygène imprègne l'eau environnante.

Densité de peuplement maximale: Jusqu'à 100 kg/m³

③Oxygénation par microbulles

Technologie:

• La fragmentation des bulles par ultrasons produit microbulles , améliorant l'efficacité du transfert de gaz.

Avantages :

• Taux d'absorption d'OD plus élevés
• Meilleure utilisation de l'oxygène

Limites:

• Coûts opérationnels élevés
• complexité technique

Conclusion

En résumé, le traitement de l'eau par RAS intègre plusieurs technologies pour traiter les matières en suspension, les composés azotés toxiques, l'accumulation de CO₂, les risques microbiens et la demande en oxygène. En optimisant ces systèmes, RAS permet une réutilisation efficace de l'eau, réduit l'impact environnemental et favorise l'aquaculture à haute densité. Les avancées futures amélioreront encore leur précision et leur efficacité énergétique.