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Chapitre 8 Systèmes aquaponiques découplés

1. 8.1 Introduction

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Comme nous l'avons vu dans les chapitres 5 et 7, les systèmes aquaponiques à boucle unique sont bien étudiés, mais ces systèmes ont une efficacité globale sous-optimale (Goddek et al. 2016 ; Goddek et Keesman 2018). Au fur et à mesure que l'aquaponie évolue jusqu'à la production industrielle, l'accent a été mis sur l'augmentation de la viabilité économique de ces systèmes. L'une des meilleures opportunités d'optimiser la production en termes de rendement de récolte peut être réalisée en découplant les composants dans un système aquaponique afin d'assurer des conditions de croissance optimales pour les poissons et les plantes. Les systèmes découplés diffèrent des systèmes couplés dans la mesure où ils séparent les boucles d'eau et d'éléments nutritifs de l'unité aquacole et hydroponique les uns des autres et fournissent ainsi un contrôle de la chimie de l'eau dans les deux systèmes. La figure 8.1 présente un aperçu schématique d'un système couplé traditionnel (A), d'un système découplé à deux boucles (B) et d'un système à plusieurs boucles découplées (C). Cependant, il y a un débat considérable sur la question de savoir si les systèmes aquaponiques découplés sont économiquement avantageux par rapport aux systèmes plus traditionnels, étant donné qu'ils nécessitent davantage d'infrastructures. Pour répondre à cette question, il est nécessaire d'examiner différentes conceptions de systèmes afin d'identifier leurs forces et leurs faiblesses.

   Le concept d'un système aquaponique couplé à une boucle, tel qu'illustré à la figure 8.1a, peut être considéré comme la base traditionnelle de tous les systèmes aquaponiques dans lesquels l'eau circule librement entre les unités aquacoles et hydroponiques, tandis que les boues de nutrientrich sont rejetées. L'un des principaux inconvénients de ces systèmes est qu'il est nécessaire de faire des compromis dans les conditions d'élevage des deux sous-systèmes en termes de pH, de température et de concentration en éléments nutritifs (tableau 8.1).

    

   Fig. 8.1 L'évolution des systèmes aquaponiques. (a) présente un système aquaponique traditionnel à une boucle, (b) un système aquaponique simple découplé, et (c) un système aquaponique à plusieurs boucles découplées. La police bleue représente l'entrée, la sortie et les débits d'eau et le rouge pour les déchets

   En revanche, les systèmes aquaponiques découplés ou à deux boucles séparent les unités aquacoles et aquaponiques les unes des autres (figure 8.1b). Ici, la taille de l'unité hydroponique est un aspect critique, car idéalement elle doit assimiler les nutriments fournis par l'unité de poisson directement ou par minéralisation des boues (par exemple, extraire les nutriments des boues et les fournir aux plantes sous une forme soluble). En effet, tant la taille de la surface de la plante que les conditions environnementales (p. ex. surface, indice de surface foliaire, humidité relative, rayonnement solaire, etc.) déterminent la quantité d'eau pouvant être évapotranspirée et sont les principaux facteurs qui déterminent le taux de remplacement de l'eau RAS. L'eau envoyée du RAS à l'unité hydroponique est donc remplacée par de l'eau propre qui réduit les concentrations de nutriments et améliore ainsi la qualité de l'eau (Monsees et al., 2017a, b). La quantité d'eau qui peut être remplacée dépend du taux d'évapotranspiration des plantes qui est contrôlé par le rayonnement net, la température, la vitesse du vent, l'humidité relative et les espèces végétales. Notamment, il y a une dépendance saisonnière, avec plus d'eau évaporée pendant les saisons chaudes et ensoleillées, ce qui est également lorsque les taux de croissance des plantes sont les plus élevés. Cette approche a été suggérée par Goddek et coll. (2015) et Kloas et coll. (2015) comme une approche visant à améliorer la conception des systèmes à boucle unique et à mieux utiliser la capacité pour assurer un rendement optimal de croissance des plantes. Le concept a été adopté, entre autres, par ECF à Berlin, en Allemagne, et par les UrbanFarmers_ maintenant en faillite à La Haye, aux Pays-Bas.

   Malgré les avantages potentiels, les premières expériences avec une conception découplée à boucle unique ont rencontré de sérieux inconvénients. Cela est dû aux quantités élevées d'éléments nutritifs supplémentaires qui devaient être ajoutés à la boucle hydroponique étant donné que l'eau de procédé qui coule du RAS à la boucle hydroponique dépend uniquement de l'évapotranspiration (Goddek et al. 2016 ; Kloas et al. 2015 ; Reyes Lastiri et al. 2016). Les nutriments avaient également tendance à s'accumuler dans les systèmes RAS lorsque les taux d'évapotranspiration étaient plus faibles et pouvaient atteindre des niveaux critiques, ce qui nécessitait des saignements périodiques de l'eau (Goddek, 2017).

   Pour surmonter ces inconvénients, il a fallu mettre en place des boucles supplémentaires afin de réduire la quantité de déchets produits dans le système (Goddek et Körner 2019). Ces systèmes à boucle multiple sont décrits à la figure 8.1c et améliorent l'approche à deux boucles (8.1b) avec deux unités qui seront examinées de plus près dans les deux sous-chapitres suivants ainsi que dans les chapitres 10 et 11  :

   1. Minéralisation et mobilisation efficaces des nutriments grâce à un système de réacteur anaérobie à deux étages pour réduire les rejets de nutriments du système via les boues de poisson

   2. Technologie de distillation/dessalement thermique pour concentrer la solution nutritive dans l'unité hydroponique afin de réduire le besoin d'engrais supplémentaires

   De telles approches ont été mises en œuvre en partie par divers producteurs d'aquaponie tels que la société espagnole NerBreen (fig. 8.1) (Goddek et Keesman 2018) ainsi que Kikaboni AgriVentures Ltd à Nairobi (Kenya) (van Gorcum et al. 2019) (fig. 8.2).

    

   Fig. 8.2 Photos du système multi-boucles existant en (1) Espagne (NerBreen) et (2) Kenya (Kikaboni AgriVentures Ltd.). Alors que le système NerBreen est situé dans un environnement contrôlé, le système Kikaboni utilise un système de tunnel semi-ouvert

   Pour ce qui est des avantages économiques (Goddek et Körner 2019 ; Delaide et al. 2016), l'optimisation des conditions de croissance dans chaque boucle respective de systèmes aquaponiques découplés présente des avantages inhérents tant pour les plantes que pour les poissons (Karimanzira et al. 2016 ; Kloas et al. 2015) en réduisant les rejets de déchets et en améliorant l'amélioration de la qualité récupération et approvisionnement en nutriments (Goddek et Keesman 2018 ; Karimanzira et al. 2017 ; Yogev et al. 2016). Dans leur travail, Delaide et al. (2016), Goddek et Vermeulen (2018) et Woodcock (pers. Comm.) montrent que les systèmes aquaponiques découplés atteignent de meilleures performances de croissance que leurs groupes de contrôle aquaponiques et hydroponiques à une boucle respectifs. Malgré cela, divers problèmes doivent encore être résolus, y compris des problèmes techniques tels que la mise à l'échelle des systèmes, l'optimisation des paramètres et les choix techniques pour les technologies de serre pour différents scénarios régionaux. Dans le reste de ce chapitre, nous nous concentrerons sur certains des développements actuels afin de donner un aperçu des défis actuels, ainsi que des développements prometteurs sur le terrain.

2. 8.2 Boucle de minéralisation

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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.

    

   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)

   où _n_subfeed/sub est l'entrée d'alimentation dans le système (en kg) ; _π_subfeed/subis la proportion de l'élément nutritif dans la formulation de l'aliment ; _π_subsludge/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).

3. 8.3 Boucle de distillation/dessalement

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   Dans les systèmes aquaponiques découplés, il y a un flux unidirectionnel du RAS vers l'unité hydroponique. Dans la pratique, les plantes prennent de l'eau fournie par le RAS, qui, à son tour, est complétée d'eau fraîche (c'est-à-dire du robinet ou de la pluie). L'écoulement nécessaire de l'unité RAS est égal à la différence entre l'eau sortant du système HP via les installations (et via l'unité de distillation) et l'eau entrant dans l'unité hydroponique du réacteur de minéralisation, si le système comprend un réacteur (figure 8.4). Un résumé simplifié est que l'exigence de flux d'eau à long terme du RAS à la HP est égale à la consommation d'eau des cultures par évapotranspiration et stockage de l'eau des plantes dans la biomasse végétale.

    

   Fig. 8.4 Schéma des flux d'eau et des concentrations différentes de nutriments dans un système aquaponique découplé, où Q, volume d'écoulement en L ; ρ, concentration en nutriments en mg/L ; RAS, système d'aquaculture en recirculation ; MIN, réacteur de minéralisation ; DIS, unité de distillation ; et X, paramètre de débit inconnu/flexible

   Cependant, en termes de bilan massique, la quantité de nutriments qui quittent le système hydroponique via les plantes doit être remplacée pour assurer un équilibre constant. Cela pose un dilemme, car la concentration maximale tolérable en nutriments dans les RAS est beaucoup plus faible que ce qui est nécessaire dans les HP. Les flux d'éléments nutritifs élevés (_ρ_subras/sub $ \ times$ _q_subras/sub) pour le HP ne peuvent donc pas être atteints par les faibles concentrations d'éléments nutritifs RAS. Au lieu de cela, sans boucle de distillation/dessalement, la concentration en éléments nutritifs augmenterait dans le SRA tout en diminuant dans le système hydroponique. Un remède possible consiste à déverser de l'eau RAS (et donc aussi des nutriments) pour y diminuer la concentration nutritive et ajouter de l'engrais à la solution nutritive hydroponique. En termes d'impact environnemental et économique, cette solution est moins satisfaisante et ne répond pas à l'objectif d'une production combinée en boucle fermée.

   La mise en œuvre d'une unité de distillation comme le montre la figure 8.3 représente une solution potentielle à ce dilemme. Ces techniques de distillation (par exemple, la distillation par membrane thermique) peuvent séparer les sels et les nutriments dissous de l'eau (Shahzad et al., 2017 ; Subramani et Jacangelo, 2015). Dans le contexte des systèmes aquaponiques à boucle multiple, et comme alternative à la fertilisation supplémentaire et au prélèvement d'eau avec des coûts supplémentaires correspondants, cette technologie pourrait non seulement fournir de l'eau douce au système, mais aussi atteindre les concentrations de nutriments souhaitées pour les sous-systèmes respectifs (Goddek et Keesman). 2018).

   Pour la mise en œuvre (c'est-à-dire le dimensionnement) d'une telle unité de distillation, des équations simples du bilan massique peuvent être utilisées. Toutefois, le système restant doit être préalablement dimensionné (soit par des règles empiriques, soit par des équations de bilan massique ; voir Sect. 8.5), car les nutriments qui pénètrent dans le système doivent être en équilibre avec les nutriments biodisponibles absorbés par la culture (Note: le point d'intérêt des systèmes découplés est sa flexibilité. Par conséquent, on peut aussi surdimensionner la partie hydroponique du système, bien que cela nécessitera l'utilisation de plus d'engrais). La façon la plus simple d'estimer l'absorption des éléments nutritifs est d'utiliser l'hypothèse selon laquelle les éléments nutritifs sont absorbés ou absorbés de la même manière que les ions dissous dans l'eau d'irrigation (c.-à-d. aucune résistance chimique, biologique ou physique spécifique à un élément). Par conséquent, pour maintenir l'équilibre, tous les nutriments absorbés par la culture tels qu'ils sont contenus dans la solution nutritive doivent être ajoutés au système hydroponique (Eq. 8.4).

   $ \ phi_ {RAS} + \ phi_ {MIN} - \ phi_ {HP} =0$ (8.4)

   où __subras/sub est le flux nutritif du système RAS vers le système hydroponique, __submin/sub est le flux nutritif de l'unité de minéralisation vers le système hydroponique et __subhp/sub est l'absorption des éléments nutritifs par les plantes. Pour cette équation, on suppose que le système de distillation a une efficacité de près de 100%. Ainsi, _Q_Subdis/sub revient au sous-système hydroponique.

   Par conséquent :

   $ ( \ rho_ {HP} \ fois Q_ {HP}) = ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {RAS}) + ( \ rho_ {MIN} \ fois Q_ {MIN}) $ (8.5)

   où Q est le volume d'écoulement en L et ρest la concentration en nutriments en mg/L.

   Comme indiqué ci-dessus, le débit du RAS à l'unité hydroponique est la différence entre la somme des débits d'eau sortant du système hydroponique (c.-à-d. Qsubhp/sub + Qsubx/sub) et l'afflux du bioréacteur (Qsubmin/sub), c'est-à-dire Qsubras/sub = Qsubhp/sub + Qsubx/sub - Qsubmin/sub, ce qui nous conduit à ce qui suit : équation :

   $ ( \ rho_ {HP} \ fois Q_ {HP}) = ( \ rho _ {RAS} \ fois Q_ {HP}) + ( \ rho _ {RAS} \ fois Q_ {X}) - ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {MIN}) + ( \ rho_ {MIN} \ fois Q_ {MIN}) $ (8.6)

   La variable ciblée est le débit de distillation (Qsubx/sub) nécessaire pour maintenir l'équilibre de la concentration en éléments nutritifs dans le système hydroponique. Pour cela, Eq. 8.6 est résolu pour QSubx/sub dans les étapes suivantes :

   $ ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {X}) = ( \ rho_ {HP} \ fois Q_ {MIN}) - ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {HP}) + ( \ rho_ {RAS} \ fois Q_ {MIN}) $ (8.7)

   $Q_ {X} = \ frac { \ rho_ {HP} \ fois Q_ {HP}} { \ rho_ {RAS}} - \ frac { \ rho_ {MIN} \ fois Q_ {MIN}} { \ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

   Notez que le débit de distillation Qsubx/sub est très dynamique et dépend du taux d'évapotranspiration des plantes, qui dépend du climat. Le résultat dynamique, cependant, peut être utilisé pour le dimensionnement de l'unité de distillation. Pour calculer l'entrée requise dans l'unité de distillation, la formule suivante peut être utilisée :

   $Q_ {DIS} =Q_ {X} \ fois \ frac {100} { \ eta_ {DIS}} $ (8.9)

   où Q est le volume de débit en L et η l'efficacité de déminéralisation du dispositif utilisé (en%).

   La technologie de distillation peut donc réduire considérablement l'empreinte de l'eau et de l'environnement (c'est-à-dire l'utilisation d'engrais) des systèmes aquaponiques à boucle multiple. Cependant, les systèmes aquaponiques deviennent encore plus complexes lorsqu'ils envisagent leur mise en œuvre. Même si cette boucle supplémentaire n'a pas de sens pour les systèmes à petite échelle, elle a le potentiel d'amener les systèmes commerciaux plus importants à un nouveau niveau. Pourtant, il faut considérer que la technologie de distillation thermique nécessite des quantités élevées d'énergie thermique et peut ne pas être économiquement raisonnable partout. Les régions où les niveaux mondiaux de rayonnement solaire ou les sources d'énergie géothermique sont élevés pourraient être les plus appropriées pour cette technologie. La viabilité économique de ces systèmes dépend donc également de leur emplacement.

   Un autre point à garder à l'esprit est la température élevée de l'eau distillée et de la saumure provenant de l'unité de distillation. Selon les conditions environnementales et les espèces de poissons utilisées, l'eau de distillation chaude pourrait être utilisée pour chauffer l'eau du RAS ; toutefois, la saumure doit refroidir avant d'entrer de nouveau dans le sous-système HP.

4. 8.4 Dimensionnement des systèmes à boucles multiples

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   Pour dimensionner un système aquaponique, il faut équilibrer l'apport nutritionnel et la production. Ici, nous appliquons essentiellement le même principe que le dimensionnement d'un système à boucle unique. Pourtant, cette approche est un peu plus compliquée, mais elle sera pleinement illustrée à l'aide d'un exemple.

    

   Figure 8.5 Schéma qui montre le bilan massique dans un système aquaponique à quatre boucles ; où msubfeed/sub sont les nutriments dissous ajoutés au système via l'alimentation. Ajouter des étiquettes : Qsubdis/sub - Qsubx/sub pour distiller retourné à HP ; « boues » pour les nutriments entrant dans le réacteur

   La figure 8.5 illustre le diagramme du bilan massique de notre approche système. Dans la situation optimale, le système n'a qu'une seule entrée et sortie. Cependant, dans la pratique, il faudra ajouter des nutriments supplémentaires à la partie hydroponique pour optimiser la croissance des plantes. Ce modèle peut être utilisé pour dimensionner le système, par exemple en se basant sur le phosphore, qui est une ressource non renouvelable (Chap. 2). L'entrée dans le système (msubfeed/sub) est la fraction d'un nutriment que le poisson excrète sous une forme dissoute. Le reste s'accumule dans le poisson sous forme de biomasse ou finit sous forme de boues (voir section précédente). Le résultat est l'absorption des éléments nutritifs par les plantes. La détermination de l'absorption de nutriments par les plantes dépend de nombreux facteurs et est très complexe ; la façon la plus simple de donner une estimation approximative est de considérer la respiration des plantes comme le principal moteur de l'absorption des nutriments (Goddek et Körner 2019).

   Le taux d'évapotranspiration dépend fortement du climat et est directement ou indirectement influencé par le rayonnement absorbé à ondes courtes, l'humidité relative, la température et la concentration de COsub2/sous. En raison de la grande complexité d'un système à boucle multiple, nous supposons que les plantes sont situées dans une serre contrôlée par le climat, et par conséquent nous n'avons qu'à considérer le rayonnement global comme la variable dynamique déterminant la quantité de rayonnement à ondes courtes absorbée. En d'autres termes, nous devons d'abord déterminer la quantité de nutriments ajoutés qui deviennent disponibles pour les plantes, puis déterminer combien les plantes absorbent réellement.

   8.4.1 Entrée d'alimentation

   Le taux d'alimentation des poissons dépend de la biomasse totale du système et du ratio de conversion des aliments (FCR). Timmons et Ebeling (2013) offrent une approche simple pour déterminer les taux de croissance des poissons pour différentes espèces de poissons. Cependant, nous recommandons de prendre des données industrielles pour déterminer plus précisément la biomasse. Lupatsch et Kissil (1998) (Eq. 8.10) fournissent une formule de croissance générale, pour laquelle Goddek et Körner (2019) ont déterminé les coefficients de croissance par ajustement de courbe en utilisant l'environnement logiciel mathématique MATLAB (fonction interne 'fitnlm') avec des données empiriques pour le Nil Tilapia (Oreochromis niloticus). Le tableau 8.2 présente d'autres poids initiaux et finaux, la température de l'eau du système et la sortie des coefficients de croissance propres à l'espèce. L'insertion de ces paramètres dans l'Eq. 8.10 nous donne le poids à un jour spécifique pour cette espèce de poisson.

   $W_ {t} = [W_0^ {1- \ beta w} + (1- \ beta _w) \ alpha_wexp \ { \ gamma_wt } T] ^ { \ frac {1} {1- \ beta w}} $ (8.10)

   où WsubT/sub (g) est le poids du poisson à un moment donné (jours), Wsub0/sub (g) est le poids initial du poisson, T est la température de l'eau (en ˚C), αw βw et γw sont des coefficients de croissance spécifiques à l'espèce (pas d'unité) et t est le temps en jours.

   Tableau 8.2 Paramètres de croissance des poissons pour l'éq. 8.10 pour une température de l'eau donnée (T). WSub0/Sub et WSubf/Sub peuvent être ajustés à ses propres besoins

   table thead tr class="en-tête » THFonction/TH THParamètres/TH ThDescription/th Thvaleur/Th THSource/TH /tr /thead tbody tr class="impair » td Rowspan="4"Croissance des poissons/td TDWsub0/Sub/TD TDPoids initial des alevins Tilapia (en g) /td TDPar exemple, 55/td TDGoddek et Körner (2019) /td /tr tr class="même » TDWsubF/Sub/TD TDPoids cible de la récolte du poisson (en g) /td TDPar exemple, 600/td TDGoddek et Körner (2019) /td /tr tr class="impair » TDT/TD TDTempérature de l'eau du RAS (en ˚C) /td td30/td TDTimmons et Ebeling (2013) /td /tr tr class="même » tdαw ; βw ; γw/td Coefficients de croissance spécifiques aux espèces/td td0.0261 ; 0.4071 ; 0.0827/td TDGoddek et Körner (2019) /td /tr /tbody /table

   Sur la base de l'équation ci-dessus, nous avons été en mesure de déterminer la quantité de nourriture dont le poisson aura besoin par stade de croissance. La plupart du temps, le débit d'alimentation (X% du poids corporel) ou la FCR est mentionné par le fabricant d'aliments spécifiques à l'espèce. Cependant, Timmons et Ebeling (2013) fournissent une ligne directrice approximative pour la FCR pour le tilapia : 0,7—0,9 pour tilapia qui pèse moins de 100 g et 1,2—1,3 pour le tilapia qui pèse plus de 100 g.

   $Feed \ rate \ (g) =FCR \ fois WG_t \ fois m_ {fish} $ (8.11)

   où FCR est le ratio de conversion des aliments, WGSubt/sub est le gain de poids (par jour) et msubfish/sub est la quantité de poisson dans le réservoir.

   Le gain de poids (WG) par jour peut être déterminé à l'aide de l'Eq. 8.10 en soustrayant le poids de, p. ex. jour 10 du poids du jour 11. Cela peut être fait pour chaque réservoir. La figure 8.6 montre l'apport de poissons dans le système pour Tilapia à l'aide des équations ci-dessus. L'alimentation moyenne par jour après le cycle total du système est de 165 kg.

    

   Fig. 8.6 Exemple de bilan de la biomasse pour Tilapia élevé en 13 cuves en cohortes avec un volume total (y compris le biofiltre et le puisard) de 482.000 L à un maximum. La biomasse totale de 80 t pour une période de 2 ans, y compris la phase de démarrage avec le poids moyen du poisson (a) (chaque ligne représente un réservoir/cohorte) et le débit journalier total (b) (données tirées de Goddek et Körner 2019)

   # 8.4.2 Disponibilité des éléments nutritifs

   Neto et Ostrensky (2013) signalent une excrétion de N soluble de 33% et une excrétion de P soluble de 17% de l'apport alimentaire lors de l'élevage du Nil Tilapia (Oreochromis niloticus, L.). Ce sont les nutriments qui s'accumulent finalement dans le système RAS et peuvent être absorbés par les plantes.

   # 8.4.3 Absorption des plantes

   Le tableau 8.3 donne un aperçu des taux d'évapotranspiration spécifique à la culture (ETsubC/sub) qui sont liés au rayonnement mondial. Un mm d'ET par mètre carré équivaut à 1 L. Pour un calibrage simple, il faut prendre la moyenne journalière annuelle (voir section suivante).

   Tableau 8.3 Aperçu des niveaux de rayonnement mondiaux extérieurs subarctiques, tempérés maritimes et arides (basé sur Goddek et Körner 2019) et de leurs taux respectifs d'évapotranspiration des cultures _ (Etc, mm jour-1) _ taux de _laitue et tomato cultivés dans un environnement contrôlé de 20 °C et 80 % relatif l'humidité. La laitue a été cultivée avec plantation continue toute l'année ; la tomate a été plantée en janvier et enlevée en décembre (îles Féroé et Pays-Bas) ou en juillet et juin (Namibie)

   table thead tr e rowspan="3"mois/th e colspan="3"Îles Féroé/Th th colspan="3"Les Pays-Bas/Th th colspan="3"Namibie/TH /tr tr class="en-tête » THRadiation mondiale/e ThetSubc/Sub/Laitue/TH THETSUBC/SUB/TOMATE/TH THRadiation mondiale/e ThetSubc/Sub/Laitue/TH THETSUBC/SUB/TOMATE/TH THRadiation mondiale/e ThetSubc/Sub/Laitue/TH THETSUBC/SUB/TOMATE/TH /tr tr class="en-tête » thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th e colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th e colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th e colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th /tr /thead tbody tr class="impair » TDBJanvier/B/TD td1.4/td td0.78/td td0.52/td td4.5/td td0.78/td td0.53/td td54.2/td td2.74/td td4.55/td /tr tr class="même » TDBfévrier/B/TD td5.2/td td0.85/td td1.38/td td9.1/td td0.93/td td1.40/td td53.7/td td2.70/td td4.47/td /tr tr class="impair » TDBmars/B/TD td13.7/td td1.20/td td2.12/td td17.0/td td1.28/td td2.14/td td51.2/td td2.42/td td3.96/td /tr tr class="même » TDBAPRIL/B/TD td30.6/td td1.90/td td3.05/td td27,9/td td1.82/td td2.90/td td40.2/td td3.05/td td5.38/td /tr tr class="impair » TDBMAY/B/TD td39.2/td td2.29/td td3.57/td td32.2/td td2.40/td td3.74/td td30.0/td td2.70/td td4.59/td /tr tr class="même » TDBJUNE/B/TD td39.6/td td2.33/td td3.60/td td26.6/td td2.52/td td3.91/td td30.5/td td2.28/td td3.80/td /tr tr class="impair » TDBJuly/B/TD td34.5/td td2.17/td td3.37/td td36.4/td td2.54/td td3.51/td td37.5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class="même » TDBaugust/B/TD td21.3/td td1.67/td td2.73/td td31.7/td td2.28/td td3.51/td td37.5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class="impair » TDBseptembre/B/TD td13.2/td td1.20/td td2.04/td td23.1/td td1.75/td td2.77/td td43.2/td td2.00/td td3.02/td /tr tr class="même » TDBoctober/B/TD td6.0/td td0.91/td td1.77/td td13.3/td td1.17/td td1.94/td td51.6/td td2.07/td td3.09/td /tr tr class="impair » TDBnovembre/B/TD td2.1/td td0.78/td td1.60/td td6.2/td td0.87/td td1.62/td td57.9/td td2.30/td td3.58/td /tr tr class="même » TDBdécembre/B/TD td0.4/td td0.79/td td1.66/td td3.5/td td0.77/td td1.52/td td59.8/td td2.44/td td3.95/td /tr tr class="impair » td Buaverage/U/B /td tdu17.3/u/td tdu1.41/u/td tdu2.28/u/td tdu20.6/u/td tdu1.59/u/td tdu2.50/u/td td3.83/td tdu2.47/u/td tdu3.83/u/td /tr /tbody /table

   8.4.4 Équilibrage des sous-systèmes

   L'équilibrage des boucles est nécessaire pour dimensionner le système. L'entrée doit être égale à la sortie (Fig. 8.5). Dans un système aquaponique découplé incorporant une unité de bioréacteur, nous avons deux flux d'afflux de nutriments : (1) la fraction de l'aliment qui est excrétée dans le système RAS sous une forme soluble et (2) la fraction des nutriments contenus dans les boues de poisson que le ou les bioréacteurs parviennent à minéraliser et à mobiliser. Le principal flux d'écoulement (à l'exception de l'élimination périodique des boues déminéralisées) des nutriments est l'absorption des nutriments par les plantes. L'Eq. différentiel 8.12. exprime cet équilibre :

   $Minéralisation \ (Eq.8.2) +m_ {feed} = \ frac { \ underline {Q_ {HP}} \ fois \ rho_ {HP}} {1000} $ (8.12)

   $ ( \ underline { \ eta_ {feed}} \ fois 10000 \ fois \ pi_ {feed} \ fois \ pi_ {sludhe} \ fois \ eta_ {min}) + \ souligner {m_ {feed}} = \ frac { \ underline {Q_ {HP}} \ fois \ rho _ {HP}} {1000} $ (8.13)

   où $ \ underline { \ eta_ {feed}} $ est l'aliment moyen (en kg) entrant dans le système RAS, πsous-aliments/subest la proportion de l'élément nutritif dans la formulation des aliments, πsubsludge/sub est la proportion d'un élément spécifique dérivé de l'alimentation se terminant dans la boue, et ηsubmin/sub est l'efficacité de minéralisation et de mobilisation du système de réacteur, umsubfeed/sub/u est la quantité moyenne d'un nutriment que le poisson déféque sous une forme dissoute, UQsubHP/Sub/U est l'évapotranspiration totale moyenne et ρsubHP/subest la concentration cible (optimale) d'un nutriment spécifique du sous-système hydroponique.

   Cependant, pour pouvoir déterminer la zone requise, il y a deux variables qui doivent être redéfinies afin de résoudre cette équation. L'équation 8.14 montre comment calculer l'excrétion d'éléments nutritifs solubles. Dans l'Eq. 8.15, nous montrons que l'évapotranspiration totale moyenne est un produit de la superficie et le taux d'évapotranspiration spécifique à la plante (ici représenté en moyenne) par msup2/sup.

   $ \ underline {m_ {feed}} = \ underline {n_ {feed}} \ fois \ pi_ {feed} \ fois \ eta_ {excr} $ (8.14)

   où ηsubexcr/sub représente la fraction de l'élément nutritif excrété par le poisson sous une forme soluble.

   $ \ underline {Q_ {HP}} =A \ fois \ underline {et_c} $ (8.15)

   où $ \ underline {Q_ {HP}} $ représente l'évapotranspiration totale moyenne (en L), A la surface, et $ \ underline {ET_ {c}} $ l'évapotranspiration moyenne spécifique à la culture en mm/msup2/sup (i.e. l/msup2/sup).

   En résolvant l'Eq. 8.13 en incorporant les Eq. 8.14 et 8.15 pour trouver A, nous sommes en mesure de calculer la superficie de la plante requise par rapport à l'apport moyen d'aliments (Eq. 8.15).

   $A= \ frac {( \ underline { \ eta_ {feed} \ fois 1000 \ fois \ pi_ {feed} \ fois \ eta_ {excr} \ fois 1000}) + ( \ underline { \ eta_ {feed}} \ fois 1000 \ fois \ pi_ {feed} \ fois \ pi_ {sludge} \ fois \ eta_ {min \ fois 1000)} {souligner {et_c} \ fois \ rho_ {HP}} $ (8.16)

   Exemple 8.2

   Dans cet exemple, nous voulons dimensionner (c.-à-d. équilibrer) le système par rapport à P. Nous supposons que la composante RAS de notre système nécessite un apport journalier moyen de 150 kg. Le fabricant déclare que la teneur en P de l'aliment pour poissons est de 1 %. Nous estimons que le P se terminant dans les boues est de 55 % et que le P excrété par les poissons sous forme soluble est de 17 %. Les bioréacteurs fonctionnent assez bien et minéralisent environ 85% du P.

   Du côté de la production, nous avons calculé le taux moyen d'évapotranspiration spécifique à la culture pour la laitue (en utilisant, par exemple, l'équation de Penman-Monteith de la FAO). À notre emplacement, il est d'environ 1,3 mm/jour (soit 1,3 l/jour). La composition optimale en P de la solution nutritive est de 50 mg/L (Resh, 2013). La recherche de la zone de culture végétale nécessaire à l'absorption du P produit par le système est ensuite résolue par :

   $A= \ frac {( \ underline { \ eta_ {feed} \ fois 1000 \ fois \ pi_ {feed} \ fois \ eta_ {excr} \ fois 1000}) + ( \ underline { \ eta_ {feed}} \ fois 1000 \ fois \ pi_ {feed} \ fois \ pi_ {sludge} \ fois \ eta_ {min} \ fois 1000) { \ souligner {et_c} \ fois \ rho_ {HP}} $

   $A= \ frac {(150000 \ fois 0.01 \ fois 0.17 \ fois 1000) + (150000 \ fois 0.01 \ fois 0.55 \ fois 0.85 \ fois 1000)} {1.3 \ fois 50} $

   $ \ \ \ = \ frac {255000+701250} {65} $

   $ \ \ \ =14711m^2 = 1,47ha$

   L'exemple ci-dessus montre que la majorité du P dans l'unité hydroponique provient des bioréacteurs. Ainsi, la mise en œuvre d'un bioréacteur au sein d'un système découplé a un impact très important sur la durabilité du P. En revanche, afin de dimensionner des systèmes aquaponiques simples à une boucle, une règle empirique est généralement appliquée. Pour les plantes à feuilles, environ 40—50 g et pour les plantes fruitées, environ 50—80 g d'aliment sont nécessaires par msup2/sup surface de culture (FAO, 2014). Lorsque l'on regarde l'apport alimentaire dans l'exemple donné ci-dessus = 150 kg, et qu'on le divise par 45 (la moyenne de l'approximation des plantes feuillées), la superficie de culture proposée est d'environ 3750 msup2/sup. Si l'on ne tient pas compte de la minéralisation des boues, notre exemple suggère une superficie de culture de 3333 msup2/sup lors du dimensionnement du système sur P.

   # 8.4.5 Rôle de l'unité de distillation

   Le rôle de l'unité de distillation est de maintenir la concentration en nutriments du système RAS et du système hydroponique à leurs niveaux respectifs souhaités. Puisque l'accumulation d'éléments nutritifs et la densité d'éléments nutritifs spécifique correspondante sont dynamiques dans les systèmes RAS (c.-à-d. en fonction des taux ETsubC/sub) qui dépendent du débit Qsubhp/sub et Qsubx/sub (figure 8.5), la taille de l'unité de distillation ne peut pas être déterminée à l'aide d'une équation différentielle. Par conséquent, un modèle de série chronologique est nécessaire pour déterminer la concentration en éléments nutritifs dans le SRA au fil du temps. La concentration en éléments nutritifs à un moment donné est nécessaire pour pouvoir exécuter des équations de bilan massique dans le système (sect. 8.3).

    

   Fig. 8.7 Simulations comparant la concentration de NO3-N dans le système d'eau RAS sur l'impact des débits de distillation (non, ligne pleine ; 5000 L h-1, ligne pointillée) sur les concentrations hydroponiques (jaune, —-) et RAS (bleu, —-) en solution nutritive en ** (a) ** Namibie et (b) ** aux Pays-Bas, c'est-à-dire en faible et élevée latitudes (Namibie 22,6 °S et Pays-Bas, 52,1 °N, respectivement) sur une période de 36 mois (y compris la phase de préparation du système) en utilisant les données climatiques locales et les serres ajustées en fonction du climat comme intrants du modèle

   Pour que le système soit équilibré (c'est-à-dire entrée = sortie), nous pouvons donner une orientation générale sur la capacité requise d'une telle unité de distillation. L'objectif est d'éviter l'accumulation d'éléments nutritifs dans le système RAS. La figure 8.7a, b montre l'impact des flux de distillation sur la solution nutritive hydroponique et RAS sans boucle de minéralisation sous deux latitudes différentes_. Les deux systèmes ont la même alimentation (en moyenne 158,6 kg joursup-1/sup ; voir fig. 8.6). Toutefois, en tenant compte des conditions environnementales et des serres adaptées au climat, la zone hydroponique nécessaire et optimale diffère selon les emplacements géographiques (voir Chap. 11). Les systèmes hydroponiques avec de faibles taux d'évaporation potentiels, comme c'est le cas dans les endroits à hautes latitudes (c'est-à-dire loin de l'équateur), auraient besoin de zones de culture plus grandes que les endroits plus proches de l'équateur. Dans le même temps, une variation annuelle plus élevée de l'irradiation et donc de la transpiration est fréquente dans ces régions, de sorte que la demande de variabilité saisonnière sur l'eau et les nutriments est plus forte (voir fig. 8.7). Dans la culture en serre, cependant, un éclairage supplémentaire peut être nécessaire, et dans des pays comme la Norvège, la culture de légumes sans éclairage supplémentaire n'a guère lieu. De plus, la surface foliaire totale de la culture fait une différence ; les cultures ayant une surface foliaire élevée par unité de surface au sol (c.-à-d. l'indice de surface foliaire) transpirent plus que les cultures ayant des surfaces foliaires plus petites, et une différence nette peut être observée entre les cultures de tomate et de laitue. Tous ces facteurs doivent être pris en compte lors de la planification et du dimensionnement du système aquaponique.

   Dans ce qui suit, nous donnons une vue d'ensemble de la superficie hydroponique optimisée pour les systèmes aquaponiques décrits ci-dessus : La zone de culture pour les monocultures simulée avec des scénarios par étapes de 250 msup2/sup pour trouver la zone de fixation de la laitue ou des tomates afin d'équilibrer le système de manière appropriée était sans éclairage supplémentaire (pour la laitue ou la tomate, respectivement) :

   • 17.000 msup2/sup ou 11.750 msup2/sup pour les îles Féroé

   • 15.500 msup2/sup ou 11.000 msup2/sup pour les Pays-Bas

   • 8750 msup2/sup ou 6500 msup2/sup pour la Namibie

   Même si la taille des systèmes diffère, la consommation annuelle moyenne d'éléments nutritifs est similaire. Cependant, lors de l'intégration d'un système de digesteur, nous devons prendre en considération la source d'éléments nutritifs supplémentaire (figure 8.1c). La modification d'un composant entraîne inévitablement des déséquilibres dans le système, mais le système doit viser à fournir des nutriments optimaux à la fois aux RAS et aux PV. Par exemple, le NO3-N dans le RAS doit être inférieur à un certain seuil \ 200 mg L<SUP-1/SUP pour, par exemple le tilapia, tandis que le PO4-P dans le HP devrait être aussi proche que possible de la concentration recommandée de 50 mg LSUP-1/SUP pour une culture végétale de bonne qualité. Ainsi, les études de simulation aident à déterminer le dimensionnement des composants dans un système aquaponique fermé découplé multi-boucles afin d'obtenir un apport optimal en nutriments pour les poissons et les plantes. Pour ce faire, Goddek et Körner (2019) ont créé un simulateur aquaponique numérique.

   Cependant, la planification d'un système aquaponique implique une certaine compréhension du système de base afin d'atteindre un équilibre qui minimise les pics indésirables de la demande et de l'offre de nutriments. Puisque la force motrice de la dynamique des éléments nutritifs est l'évapotranspiration de la culture (ETsubC/sub dans le système HP), cela est largement motivé par le microclimat et la lumière absorbée. Dans un système parfaitement équilibré, il s'agirait d'un environnement entièrement automatisé et contrôlé (voir Sect. 8.5 avec un éclairage de 24 heures. Les plantes ont besoin d'une certaine période sombre d'environ 4 à 6 h, de sorte que le système le plus équilibré est réaliste d'effectuer l'aquaponie dans les usines fermées uniquement avec des sources de lumière artificielle. Toutefois, cela exige des coûts élevés de production électrique et d'investissement et n'est réalisable qu'avec des prix très élevés des produits. Par conséquent, nous recommandons la production de serre avec éclairage supplémentaire (si nécessaire et si cela est rentable) comme moyen pratique et économiquement réalisable de construire une unité aquaponique. Le fait de placer à la fois les plantes et les poissons dans la même construction physique entraîne des synergies supplémentaires, notamment une réduction du chauffage et une augmentation de la croissance des plantes grâce à une élévation du COSub2/sub (Körner et al., 2017).

   En plus de ces questions techniques, les méthodes de culture des plantes (la partie pratique de l'horticulture du système) doivent être adaptées aux besoins de l'aquaponie de manière à ce qu'il y ait une demande constante d'éléments nutritifs des cultures (en supposant le même climat et la même lumière), comme le montre le tableau 8.3. La culture de la laitue et d'autres légumes verts à feuilles est pratiquée en continu (Körner et al. 2018), tandis que les cultures plus importantes, comme les légumes fruitiers comme la tomate, le concombre ou le poivron, sont généralement semées en hiver, et la première récolte se fait souvent à la fin de l'hiver/début du printemps, suivie de l'enlèvement des plantes et d'une autre culture semée pour la récolte en hiver à nouveau. Sans interplantation, c'est-à-dire qu'il s'agisse de divers types de cultures dans le même système ou de lots de légumes fruitiers plantés tout au long de l'année afin de soutenir la demande en éléments nutritifs, des périodes de faible demande en éléments nutritifs et de niveaux élevés de nutriments se produiront. Sur la base de Goddek et Körner (2019), nous montrons la variation de NOsub3/sub-N dans le RAS pour la tomate (souvent non ajustée en aquaponie) et la laitue lorsqu'aucun éclairage supplémentaire n'est utilisé pour trois zones climatiques (îles Féroé, Pays-Bas et Namibie) (figure 8.8). L'équilibre du système est possible en augmentant l'intégrale de la lumière quotidienne (c'est-à-dire la somme de la lumière molle reçue pendant une période de 24 h) avec un contrôle dynamique de l'éclairage supplémentaire (Körner et al., 2006).

    

   Fig. 8.8 NO3-N dans le RAS combiné avec le HP cultivant la tomate ou la laitue dans trois zones climatiques et les latitudes décroissantes (îles Féroé 62.0N, Pays-Bas 52.1˚N, Namibie 22.6˚S) avec une surface optimisée pour l'hydroponie (voir ci-dessus) dans une simulation de 36 mois utilisant des données climatiques locales et des serres ajustées entrée de modèle

   L'application de technologies de distillation/dessalement peut contribuer à réduire considérablement les niveaux d'éléments nutritifs dans le RAS tout en ajustant les niveaux dans le système HP plus près d'optima, c'est-à-dire que l'unité concentre les nutriments aux niveaux requis par les plantes. La figure 8.9 illustre l'effet d'une unité de dessalement sur la concentration RAS NOsub3/sub-N lorsqu'elle est appliquée entre 0 et 5000 L hsup-1/sup et systemsup-1/sup. Il est évident qu'avec l'augmentation du flux de dessalement, la concentration de NOsub3/subN dans le système RAS diminue. L'unité, cependant, est contrôlée par la demande de POSub4/Sub dans le système HP. Les pics doivent être évités et, comme indiqué ci-dessus, cela peut être atteint en créant un environnement climatique stable avec des contrôles dynamiques de la lumière. Il est évident que dans les régions climatiques avec moins de différences annuelles dans le rayonnement solaire, il y a moins de variation dans l'ETSubc/Sub et le système complet est plus stable. L'installation de lampes et le maintien d'une lumière quotidienne intégrale d'au moins 10 mol msup-2/sup peuvent compenser les variations saisonnières. L'interplantation et la production de cultures mixtes aident à niveler le pic résultant du protocole traditionnel de culture de la tomate avec les jeunes plants en hiver, lorsque les deux

    

   Fig. 8.9 NO3-N en RAS combiné avec HP avec tomate (droite) ou laitue (gauche) avec dessalement entre 0 et 5000 L h d'alimentation sup-1/sup dans trois zones climatiques et latitudes décroissantes (îles Féroé 62.0˚N, Pays-Bas 52.1˚N, Namibie 22.6˚S) avec surface ajustée pour HP (voir ci-dessus) dans une simulation de 36 mois en utilisant les données climatiques locales et les serres ajustées en fonction du climat comme intrants du modèle

   le climat (faible rayonnement) et la culture (petites plantes, faible potentiel ETsubc/sub) contribuent à l'accumulation de nutriments.

5. 8.5 Surveillance et contrôle

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Dans le contrôle de rétroaction classique, comme le contrôle PI ou PID (Proportionnal-Integral-Derivative), les variables contrôlées (CV) sont directement mesurées, comparées à un point de consigne, puis renvoyées au processus via une loi de contrôle de rétroaction.

   Dans la figure 8.10, les signaux, sans l'argument temporel, sont désignés par une lettre minuscule, où y est la variable contrôlée (CV) comparée au signal de référence (point de consigne) r. L'erreur de traçabilité ε (i.e. r - y) est introduite dans le contrôleur, que ce soit en matériel ou en logiciel, à partir de laquelle l'entrée de commande u, également connue sous le nom de variable manipulée (MV), est générée. L'entrée u affecte directement le processus (P) à partir duquel une sortie (y) résulte. La sortie échantillonnée est ensuite comparée à r, qui ferme la boucle. En pratique, cette boucle continue jusqu'à ce que le contrôleur soit éteint. Il existe une vaste documentation sur le contrôle de la rétroaction (Doyle et al., 1992 ; Morris, 2001 ; Ogata, 2010), qui fait l'objet de recherches depuis de nombreuses années, à commencer par les travaux de Bode (1930) et de Nyquist (1932).

    

   Fig. 8.10 Commande de rétroaction avec contrôleur (C) et processus (P). signal de référence r, erreur de suivi eps, signal d'entrée u, sigma de sortie

   Dans le RAS, les CV typiques sont la température, le pH et la concentration d'oxygène dissous (OD), pour lesquels il existe des capteurs fiables. Par conséquent, le contrôle de rétroaction de ces paramètres de qualité de l'eau peut être facilement réalisé. Cependant, dans la pratique, le plus souvent, les signaux d'entrée et de sortie sont perturbés par des processus de bruit, tels que les entrées aléatoires inconnues et le bruit de mesure. De plus, le processus global (P) peut changer avec le temps en raison de la croissance, de la maturation, de la sénescence, etc. L'alimentation des poissons est un autre apport dans le SRA et son effet sur la croissance des poissons ne peut pas être vu ni mesuré directement. Pour ces paramètres, des contrôleurs basés sur un modèle (p.ex. feedforward, prédictif du modèle et contrôle optimal) sont généralement introduits pour prédire la réponse d'un changement dans l'entrée du contrôle. Cependant, les aliments pour poissons sont généralement ajoutés sur la base des valeurs trouvées dans les tableaux ou les recettes, mais ce contrôle fondé sur des règles peut nécessiter un certain ajustement dans la pratique réelle pour agir en tant que contrôleur de rétroaction. Les comportements des poissons dans le RAS sont une mesure classique de contrôle de rétroaction, car les poissons réagissent physiologiquement aux changements environnementaux avec des variations de mouvement, d'emplacement, de réceptivité à l'alimentation, etc.

   La production hydroponique a généralement lieu dans des environnements protégés tels que les serres ou les usines végétales où l'environnement racinaire et aérien doit être contrôlé. Les contrôleurs sur arrêt qui modélisent de façon prédictive des environnements aériens optimaux se sont révélés supérieurs dans la recherche expérimentale, mais la commercialisation a été lente, alors que les contrôleurs de rétroaction sont standard dans la plupart des serres contrôlées par le climat. Cependant, l'actionneur varie en fonction du type de régulateur doté de vannes de chauffage et d'évents généralement commandés par rétroaction, mais l'éclairage a généralement un mécanisme ON-OFF et seulement quelques-uns sont dimmables. Les contrôleurs qui s'appuient sur des capteurs ou des entrées de données peuvent répondre à une croissance rapide dans un environnement protégé et produire des produits de haute qualité avec des prix élevés du marché, ce qui améliore ses avantages en termes de coûts. De nombreuses serres commerciales ont encore le capteur central classique suspendu de 1 à 2 m au-dessus de la culture et couvrant plusieurs centaines de mètres carrés est toujours utilisé, mais plusieurs capteurs sans fil couvrant des zones plus petites sont en cours d'utilisation, bien qu'une grande partie des données détaillées ne puissent pas être utilisées parce qu'il est assez grand les zones climatiques sont contrôlées par les mêmes actionneurs. Les progrès de la technologie des capteurs (par exemple, capteurs de température microclimat, processeurs d'image, mesures en temps réel d'échange de gaz ou de fluorescence chlorophylle) reliés aux logiciels de modélisation pourraient utiliser des systèmes d'aide à la décision et devenir des systèmes de contrôle automatisés.

   Dans les systèmes de bioréacteurs typiques, la température, le pH, l'oxygène dissous dans les systèmes aérés et les flux de gaz dans les systèmes anaérobies sont mesurés et ajustés en continu avec les régulateurs de température, de pH et d'oxygène dissous disponibles. En outre, les temps de rétention hydraulique (HRT) et de rétention des boues (SRT) sont souvent fixés en contrôlant les débits d'eau (déchets) et les débits de déchets de biomasse, respectivement.

6. 8.6 Incidence économique

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Les technologies qui génèrent moins de profits, mais qui sont meilleures pour l'environnement, ne sont généralement mises en œuvre que lorsque les opérateurs reçoivent une incitation sous forme de subventions ou que des politiques les obligent à le faire. Dans le cas des systèmes aquaponiques à boucle unique, l'attrait réside dans la nouvelle technologie et l'approche du système en matière d'utilisation durable des ressources plutôt que dans son potentiel économique. Cependant, des publications récentes montrent des gains de production : les verts feuillus poussent mieux dans des environnements découplés que dans des systèmes hydroponiques stériles (Delaide et al., 2016 ; Goddek et Vermeulen, 2018) et la laitue dans des systèmes aquaponiques découplés présentait un avantage de croissance d'environ 40 % par rapport à l'état de les approches hydroponiques de l'art.

   Même si l'on peut s'attendre à des taux de croissance plus élevés, les systèmes aquaponiques à plusieurs boucles sont encore beaucoup plus complexes que les systèmes hydroponiques et des investissements initiaux importants sont nécessaires pour leur mise en œuvre. La plupart des endroits géographiques nécessitent une serre de haute technologie pour contrôler les conditions environnementales (c.-à-d. une humidité relative de 80 %, des températures constantes d'environ 20 °C). Les sources d'énergie renouvelables peuvent être utilisées pour le refroidissement et le chauffage, mais à l'heure actuelle, ces systèmes ne sont rentables que lorsqu'ils sont installés à grande échelle (c'est-à-dire > 1 ha) où les conditions du marché prévalent.

7. 8.7 Impact sur l'environnement

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Selon l'exemple 8.2, il existe des preuves que le traitement des boues dans les digesteurs peut avoir un effet bénéfique sur la réutilisation des éléments nutritifs, en particulier le phosphore. Les systèmes de bioréacteurs, tels qu'un système séquentiel de réacteur UASB à deux étages, peuvent augmenter l'efficacité du recyclage du phosphore jusqu'à 300% (Chap. 10). Auparavant, dans Chap. 2, nous avons discuté du paradoxe du phosphore par rapport à la rareté du phosphate et aux problèmes d'eutrophisation. Les bioréacteurs présentent des avantages significatifs pour une récupération accrue des éléments nutritifs dans les boues, aidant ainsi à fermer la boucle de cyclage des éléments nutritifs dans les systèmes aquaponiques. Toutefois, d'autres recherches sont nécessaires pour affiner ces systèmes afin d'optimiser la biodisponibilité de certains éléments nutritifs. Les figures 8.11, 8.12 et 8.13 montrent les flux d'entrée, de sortie et de déchets des systèmes aquacoles et hydroponiques autonomes par rapport à un système aquaponique découplé. On peut voir que l'approche découplée constitue un concept agricole prometteur pour un système de réduction et de recyclage des déchets.

    

   Fig. 8.11 Flux d'entrée, de sortie et de perte dans un système hydroponique autonome

    

   Fig. 8.12 Flux d'entrée, de sortie et de pertes dans un système aquacole autonome

    

   Fig. 8.13 Flux d'entrée, de sortie et de perte dans un système aquaponique multiboucle découplé comprenant un système de réacteur anaérobie