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8.2 Boucle de minéralisation

2 years ago

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Dans le RAS, les boues solides et riches en nutriments doivent être retirées du système pour maintenir la qualité de l'eau. En ajoutant une boucle supplémentaire de recyclage des boues, les déchets RAS accumulés peuvent être convertis en éléments nutritifs dissous pour être réutilisés par les plantes plutôt que rejetés (Emerenciano et al., 2017). Dans les bioréacteurs, les micro-organismes peuvent décomposer cette boue en nutriments biodisponibles, qui peuvent ensuite être livrés aux plantes (Delaide et al. 2018 ; Goddek et al. 2018 ; Monsees et al. 2017a, b). De nombreux systèmes aquaponiques à boucle unique comprennent déjà des digesteurs aérobies (Rakocy et al., 2004) et anaérobies (Yogev et al., 2016) pour transformer les nutriments qui sont piégés dans les boues de poisson et les rendre biodisponibles pour les plantes. Cependant, l'intégration d'un tel système dans un système aquaponique couplé à une boucle présente plusieurs inconvénients :

  1. Le facteur de dilution des effluents riches en nutriments est beaucoup plus élevé lorsqu'ils sont rejetés dans un système à boucle unique par rapport à leur rejet dans l'unité hydroponique seulement. Effectivement, les nutriments dilués en entrant en contact avec de grandes quantités d'eau d'élevage des poissons.

  2. Les poissons sont inutilement exposés aux effluents du réacteur de minéralisation ; par exemple, les effluents des réacteurs anaérobies peuvent comprendre des acides gras volatils (AV) et de l'ammoniac susceptibles de nuire aux poissons ; ces réacteurs constituent également une source supplémentaire d'introduction potentielle d'agents pathogènes.

  3. Environ 90 % des nutriments piégés dans les boues peuvent être récupérés lorsque RassLudge est maintenu à un pH de 4 (Jung et Lovitt, 2011). Un pH aussi bas n'est pas possible lorsqu'on utilise des bioréacteurs à un pH autour de 7 (Goddek et al. 2018), ce qui est la valeur de pH habituelle dans les systèmes aquaponiques à boucle unique.

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Fig. 8.3 pH approximatif de l'eau dans les différents composants du système ainsi que dans l'eau de procédé. Le '~' indique une approximation

En ce qui concerne le pH, la figure 8.3 montre les valeurs approximatives du pH des flux d'eau de procédé respectifs dans un système aquaponique à plusieurs boucles (par exemple, comme le montre la figure 8.1c). La figure 8.3 montre également l'impact des réacteurs de minéralisation sur le rendement du système dans son ensemble, en se basant sur les réacteurs anaérobies proposés par Goddek et al. (2018). Un tel système ne représente qu'une solution possible pour le traitement des boues, avec des approches alternatives discutées au chapitre 10. La diminution du pH de l'eau de procédé qui coule du sous-système RAS dans la boucle hydroponique, comme le montre la figure 8.3, démontre l'acidification de la boucle de concentration en éléments nutritifs (c'est-à-dire que l'eau déminéralisée a un pH de 7). Ainsi, l'effluent a un pH inférieur à celui de la sortie RAS, ce qui réduit le besoin d'ajuster le pH pour des conditions optimales de croissance de la plante.

Tableau 8.1 Aperçu des conditions de croissance optimales pour les poissons et les plantes et des conditions d'exploitation privilégiées pour le traitement du recyclage des éléments nutritifs des boues

table thead tr class="en-tête » THSous-système/TH Thespèces/fonction/e THPH/TH THTempérature (˚C) /e Thnitrate (NoSub3/sub) (mg/L) /e /tr /thead tbody tr class="impair » td Rowspan="2"Système d'aquaculture à recirculation (RAS) /td TdioreoChromis niloticus/i (tilapia du Nil) /td td7—9 (Ross 2000) /td td27—30 (El-Sayed 2006) /td td<100—200 (Dalsgaard et al. 2013) /td /tr tr class="même » TDionCorhynchus mykiss/i (truite arc-en-ciel) /td td6.5—8.5 (FAO 2005) /td td15 (Coghlan et Ringler 2005) /td td<40 (Davidson et coll. 2011 ; Schrader et coll. 2013) /td /tr tr class="impair » td Rowspan="2"Hydroponie/TD TdilActuca sativa/i (laitue) /td td5.5-6.5 (Resh 2012) /td td21—25 (Resh 2012) /td td730 (Resh 2012) /td /tr tr class="même » TDLYCopersiCon esculentum (tomate) /td td6.3—6.5 (Resh 2002) /td td18—24 (Resh 2002) /td td666 (Sonneveld et Voogt 2009) /td /tr tr class="impair » td Rowspan="2"Réacteur anaérobique/td TDméthanogenèse/TD td6.8—7-4 (de Lemos Chernicharo 2007) /td td30-35 (Alvarez et Lidén 2008 ; de Lemos Chernicharo 2007) /td td—/td /tr tr class="même » Mobilisation TDSLudge/td td4.0 (Jung et Lovitt 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /table Le système de réacteur à deux étages fonctionne comme suit :

  • Dans la première phase (pH autour de 7 pour fournir des conditions optimales pour la méthanogenèse ; tableau 8.1), la matière organique est décomposée pour maintenir un degré élevé de production de méthane (c'est-à-dire l'élimination du carbone). Mirzoyan et Gross (2013) ont signalé une réduction totale des matières en suspension d'environ 90 %, en utilisant la technologie du réacteur à couverture de boues anaérobies en amont. Cela a l'avantage que (1) le biogaz est récolté comme source d'énergie renouvelable et (2) moins d'AV sont produites au cours de la deuxième étape. Le temps de rétention des boues au cours de la première étape devrait être de plusieurs mois, avant d'éliminer les nutriments accumulés dans les boues (par exemple, l'agrégation du phosphate de calcium) au cours de la deuxième étape.

  • Dans la deuxième étape, les nutriments contenus dans les solides en suspension sont effectivement mobilisés et deviennent disponibles pour l'absorption des plantes. Cette mobilisation est la plus efficace dans un environnement à pH faible (Goddek et al., 2018 ; Jung et Lovitt, 2011). Une fois que le pH des réacteurs acides est diminué, il reste généralement stable ; il faut donc moins de régulation du pH dans l'unité hydroponique.

Les effluents riches en nutriments peuvent nécessiter un certain post-traitement en fonction de la quantité totale mesurée de solides en suspension et d'AV. Cependant, il est important de garder à l'esprit que l'ammoniac peut stimuler la croissance des plantes, par exemple les feuilles vertes, lorsqu'il représente 5 à 25 % de la concentration totale d'azote (Jones, 2005). Cependant, les légumes fruitiers comme les tomates ou les poivrons sont particulièrement sensibles à l'ammoniac dans la solution nutritive. Un traitement aérobie post-effluent ou un puisard hydroponique bien aéré serait nécessaire dans les systèmes de culture de ce type.

8.2.1 Détermination des débits d'eau et d'éléments nutritifs

Pour le dimensionnement du système (sect. 8.4), il faut connaître la quantité d'eau qui s'écoule du système RAS via le ou les réacteurs jusqu'à l'unité hydroponique (Qsubmin/sub) (Eq. 8.1) :

$Q_ {MIN} (kg/jour) = \ frac {n_ {feed} \ fois k_ {boue}} { \ pi_ {boue}} $ (8.1)

où nsous-alimentation/sub est la quantité d'aliments pour poissons en kg, ksubsludge/sub est le coefficient de proportion d'aliments pour poissons finissant sous forme de boues, et πsubsludge/sub est la proportion de solides totaux (boues) dans le flux d'eau des boues entrant dans la boucle de minéralisation.

La concentration des boues peut être augmentée en ajoutant un dispositif de séparation par gravité avant les bioréacteurs, en renvoyant le surnageant « clair » vers le système RAS. Cette formule peut également être utilisée pour obtenir une entrée pour dimensionner le réacteur en fonction du temps de rétention hydraulique (Chap. 10). Entre 20 et 40 % des aliments pour poissons finissent sous forme de solides en suspension totaux dans les boues dérivées du RAS (Timmons et Ebeling, 2013). À titre d'exemple, il a été constaté que les boues de tilapia contiennent environ 55 % des nutriments qui ont été ajoutés au système par l'intermédiaire d'aliments pour animaux (Neto et Ostrensky, 2013 ; Yavuzcan Yildiz et al., 2017), ce qui représente une ressource précieuse pour la croissance des cultures.

Les principaux nutriments qui peuvent être récupérés par un procédé de minéralisation sont N et P. Comme P (l'un des principaux composants des boues) est le macronutriments le plus précieux en termes de coût et de disponibilité pour la production végétale, il devrait être le premier élément à être optimisé dans le système aquaponique.

Le taux de minéralisation de la boucle de minéralisation est calculé comme suit :

$Minéralisation (g/jour) = (n_ {feed} \ fois 1000) π_ {feed} \ fois π_ {boue} \ fois η_ {min} $ (8.2)

nsubfeed/sub est l'entrée d'alimentation dans le système (en kg) ; πsubfeed/subis la proportion de l'élément nutritif dans la formulation de l'aliment ; πsubsludge/subest la proportion d'un élément dérivé de l'alimentation spécifique se terminant dans la boue ; et ηsubmin/subis l'efficacité de minéralisation et de mobilisation du système de réacteur .

La dernière étape consisterait à déterminer la concentration de l'élément respectif dans l'effluent de la boucle de minéralisation :

$Nutriment \ concentration \ (mg/L) = \ frac {Minéralisation \ fois 1000} {Q_ {MIN}} $ (8.3)

Exemple 8.1

Notre système RAS est alimenté avec 10 kg d'aliments pour poissons par jour. Nous supposons que 25 % des aliments nourris finissent sous forme de boues. Dans notre système, nous utilisons un décanteur à flux radial (RFS) pour concentrer les boues sur 1 % de matière sèche. Par conséquent, le débit du RAS vers HP via la boucle de minéralisation est calculé comme suit :

$Q_ {MIN} \ (kg/jour) = \ frac {10kg \ \ fois \ 0.25} {0.01} =250 \ env. 250kg/jour$

Nous décidons de dimensionner notre système sur P. La teneur en P de nos aliments (dans la plupart des cas fournie par le fabricant d'aliments pour animaux) est de 1,5 % et 55 % de ceux-ci finissent dans les boues (Neto et Ostrensky 2013). Nous supposons que nos réacteurs atteignent un rendement de minéralisation de 90 % pour cet élément. Par conséquent, les grammes de P transférés à l'unité hydroponique chaque jour peuvent être déterminés :

$Minéralisation \ (g/jour) = (10kg \ fois 1000) \ fois 0.55 \ fois 0.015 \ fois 0.9=74.25$

La concentration de l'effluent en conséquence :

$Nutriment \ concentration \ (mg/L) = \ frac {74,25g \ fois 1000} {250L} =297 \ mg/L$

Cette concentration de P dans l'effluent dans le cadre de l'exemple ci-dessus est environ six fois plus élevée que dans la plupart des solutions hydroponiques d'éléments nutritifs. Les recherches de Goddek et al. (2018) étayent ce chiffre théorique et indiquent que leurs boues RAS contenaient 150 et 200 mg/L de P pour deux systèmes indépendants, respectivement (boues de TSS à 1 %), avec une teneur en P pour les aliments pour poissons de 0,83 % dans les aliments en matière sèche pour ces derniers (200 mg/L).


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