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Structure et conception

1. 2.1 Culture piscicole

   Original publication 2021 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   

   Les bassins à poissons pour l'aquaponie sont disponibles dans un large éventail de formes, de tailles et de matériaux, la sélection étant largement basée sur les espèces de culture. La majorité des grands systèmes utilisent des réservoirs ronds qui ont un fond plat ou cône. L'utilisation de l'écoulement tangentiel empêchera les zones mortes lorsqu'elles sont utilisées dans des réservoirs ronds (figure 2). Les réservoirs à fond conique permettent aux solides de se concentrer au fond (dans le cône) et d'être facilement rincés du système. Les réservoirs à fond plat sont plus largement disponibles, mais l'élimination des solides nécessite des mesures supplémentaires pour assurer l'élimination appropriée des matières organiques dispersées dans le fond du réservoir.

   Les réservoirs carrés peuvent également nécessiter un nettoyage supplémentaire, car les solides ou les débris peuvent se déposer dans les coins (Somerville et al. 2014). Le dimensionnement des bassins de pisciculture est conforme aux principes RAS, avec un rapport largeur/hauteur de 3:1 idéal pour un bon mouvement et un écoulement de l'eau. Les réservoirs à poissons sont généralement le point le plus élevé du système et l'eau s'écoule par gravité jusqu'au composant de filtration des solides.

   Les réservoirs de qualité commerciale sont généralement fabriqués à partir de matériaux solides et résistants aux UV comme le plastique polyéthylène haute densité (PEHD) ou la fibre de verre. À plus petite échelle ou dans les zones où les ressources sont limitées, on peut utiliser des grands récipients pour vrac (GRV) ou des creux à ciment doublés. Des matériaux de qualité alimentaire et résistants aux UV sont nécessaires car de nombreux réservoirs réutilisés peuvent contenir des produits chimiques ou des matières dangereuses, ce qui en fait des poissons impropres à la consommation.

   *Source : Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Université d'État du Kentucky. Manuel de production de l'aquaponie : manuel pratique pour les cultivateurs. *

2. 2.2 Filtration des solides

   Original publication 2021 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   La filtration efficace des solides est un élément clé d'un système qui fonctionne bien et potentiellement l'aspect le plus important car elle influence l'efficacité de tous les autres procédés. Les solides sont principalement produits à partir d'aliments non consommés, de déchets de poisson et de biofilms bactériens (classés comme solides en suspension) (Timmons et Ebeling, 2013). Si les déchets ne sont pas éliminés, ils peuvent se déposer sur les racines des plantes (empêchant l'absorption des nutriments), s'accumuler dans des zones à faible débit d'eau (entraînant une mauvaise qualité de l'eau), provoquer l'accumulation de gaz nocifs et obstruer les conduites (empêchant un débit suffisant d'eau) (Somerville et al. 2014).

   La filtration des solides utilisée dépend de la qualité et de la quantité d'aliments entrant dans le système, toutes les conceptions étant directement issues de la technologie RAS. Les deux principales catégories de filtration des solides sont la sédimentation et la filtration mécanique (Lennard, 2012).

   Sédimentation: La sédimentation désigne les solides qui se déposent de la colonne d'eau par gravité, ce qui se produit dans le clarificateur. Les conceptions de clarificateurs ou (élimination des solides) comprennent des déflecteurs, des filtres à flux radial et des séparateurs à tourbillons (Figure 3a, b, c). Les séparateurs d'écoulement radial sont les plus couramment utilisés et se sont avérés plus efficaces pour éliminer les matières solides décantables qu'un filtre tourbillonnant dans le RAS (Davidson et Summerfelt, 2005). Les clarificateurs de déflecteur et de tourbillon sont similaires en ce qui concerne l'efficacité d'élimination des solides (Danaher et al. 2013). Les recommandations concernant les matériaux de construction suivent celles des bassins à poissons mentionnés ci-dessus.

    

   Un calibrage adéquat des clarificateurs et un débit d'eau approprié sont essentiels pour une élimination efficace des solides. Si vous comptez uniquement sur un clarificateur pour enlever les solides décantables, un temps de rétention de 30 minutes est requis. Cela signifie simplement que la plupart des solides qui peuvent se déposer par gravité le feront dans un délai de 30 minutes. Un débit d'eau de 5 gallons par minute pour les petits réservoirs et de 25 gallons par minute pour les grands réservoirs doit être utilisé pour calculer la taille du réservoir de filtration nécessaire. Une filtration sous-dimensionnée (ou un débit trop rapide) ne suffira pas à éliminer les solides du poisson, ce qui entraînera une accumulation plus profonde dans le système. De même, la surdimensionnation du composant n'est pas idéale car elle augmente le coût initial, nécessite une plus grande empreinte dans l'installation et entraîne une plus grande utilisation de l'eau grâce à un rejet inefficace.

    

   Les clarificateurs n'élimineront que les grosses particules solides présentes dans l'eau, laissant des solides trop petits pour se déposer hors de l'eau (Summerfelt et al. 2001). Ces solides en suspension doivent être enlevés. Une pratique rendue populaire par l'Université des Îles Vierges consiste à diriger l'eau du clarificateur à travers des réservoirs remplis de filets de verger (Figure 4). Le matériau de filet piège les solides fins, permettant ainsi l'écrémage de l'eau propre de la surface. D'autres options pour enlever les solides en suspension sont les sacs en maille fine, les bas pour femmes, les tampons filtrants, et d'autres. Ces articles peuvent rapidement se boucher si les matières solides décantables ne sont pas éliminées efficacement dans les clarificateurs.

    

   Séparation mécanique: La séparation mécanique est l'élimination active des solides via un écran ou un support (Lennard 2012).

   Ces filtres sont extrêmement efficaces, éliminant les solides de plus de 50 microns, ce qui réduit le temps consacré au nettoyage et à l'entretien grâce à leur fonction pratique de lavage automatique à contre-courant. Parmi ces filtres, mentionnons le filtre à tambour (figure 5a) et un filtre à billes sous pression (figure 5b).

    

   Les filtres mécaniques ont un prix élevé, ce qui les rend souvent prohibitifs pour les praticiens à petite échelle. En outre, ils ont besoin de connaissances plus avancées pour fonctionner et sont difficiles à obtenir dans les pays en développement. Ce type de filtration serait approprié pour un grand système aquaponique découplé ou pour ceux qui concentrent la majeure partie de leur exploitation sur la production de poisson.

   *Source : Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Université d'État du Kentucky. Manuel de production de l'aquaponie : manuel pratique pour les cultivateurs. *

3. 2.3 Filtration biologique

   Original publication 2021 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   La filtration biologique fait référence à la dégradation de l'ammoniac (NH3 et NH4+) en nitrite (NO2) puis en nitrate (NO3) par des bactéries nitrifiantes d'origine naturelle. Ces bactéries vivent sur la surface des milieux contenus dans un réservoir — collectivement appelé biofiltre. Le processus de conversion de l'ammoniac en nitrate sera détaillé dans la section sur la qualité de l'eau.

   Dans RAS, le biofiltre est conçu pour fonctionner à basse pression. Il y a un réservoir dédié rempli de substrat comme les médias Kaldnes, les milieux granulaires, les billes de plastique ou d'autres matériaux inertes qui ont une grande surface spécifique ou surface du média par unité de volume. Plus la surface spécifique est élevée, plus les bactéries peuvent se développer sur le milieu, ce qui se traduit par une plus grande capacité d'élimination de l'ammoniac. Les modèles typiques de biofiltres pour RAS incluent les tours de filet, les milieux immergés, les lits fluidisés, les filtres à sable et le filtre à lit statique. En aquaponie, le biofiltre peut être une unité séparée ou une partie du système. En culture en eau profonde (DWC), les parois de la plante, les fonds des radeaux et les racines des plantes fournissent une surface importante pour la colonisation des bactéries nitrifiantes. Contrairement au système RAS, le système AP lui-même fournit généralement une grande surface pour la colonisation des bactéries, en particulier pour les systèmes couplés de taille appropriée. Le système de la technique du film nutritif (NFT) (voir la section ci-dessous) est une exception, car seule une fine couche d'eau est appliquée sur les plantes. Si le biofiltre est une unité distincte, il doit être situé après l'unité d'élimination des solides.

   *Source : Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Université d'État du Kentucky. Manuel de production aquaponique : manuel pratique pour les producteurs. *

4. 2.4 Culture végétale ou sous-système hydroponique

   Original publication 2021 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   

   La partie hydroponique du système englobe la majeure partie de l'empreinte de l'installation. Trois modèles principaux sont utilisés : les lits médiatiques, la culture en eau profonde (DWC) et la TVN.

   Systèmes basés sur les médiass : La conception des systèmes basés sur les médias, parfois appelés inondation et drain, est assez simple. Un récipient rempli de substrat est périodiquement inondé d'eau provenant du réservoir à poissons. L'eau s'écoule ensuite vers le puisard (ou la cuve à poisson) en puisant de l'oxygène dans le substrat pour les racines des plantes et les bactéries nitrifiantes. Le lit médiatique soutient la plante au fur et à mesure qu'elle pousse et sert de filtre solide et biologique (Figure 6). En raison de relativement peu de composants et de la facilité de construction et d'exploitation, ces systèmes sont populaires pour les amateurs et dans les régions en développement. Cependant, il est rare de trouver une production commerciale utilisant uniquement des lits médiatiques, car ils sont moins productifs que les autres types décrits ci-dessous. La règle empirique pour les systèmes de médias est décrite dans le tableau 1.

   Tableau 1 : Règles empiriques pour les systèmes aquaponiques basés sur les médias.

    

   Divers matériaux peuvent être utilisés comme substrat, y compris du gravier de pois, de la roche de lave, des cailloux d'argile expansée ou d'autres milieux inertes ; les praticiens peuvent être limités par ce qui est disponible localement. Le débit d'eau dans le système est contrôlé par une minuterie ou un siphon. En utilisant la méthode de minuterie, l'eau est pompée pendant un certain temps, ce qui permet au lit de se remplir.

   Lorsque la minuterie s'éteint, l'eau s'écoule jusqu'à ce que la minuterie enclenche à nouveau la pompe. La méthode du siphon est souvent mise en œuvre à l'aide d'un siphon à cloche automatique (Figure 7a) ou d'un siphon à boucle (Figure 7b). Dans les deux méthodes de siphon, la pompe fonctionne en continu, contrôlant à quelle vitesse le lit se remplit et s'écoule. Fox et al. (2010) donne des instructions détaillées étape par étape pour la construction, l'exploitation et le dépannage d'un siphon automatique.

    

   Les systèmes à flux constant offrent une alternative à la méthode d'inondation et de vidange. L'eau fortement aérée s'écoule dans le lit médiatique. Au lieu d'un cycle d'inondation et de vidange, le niveau d'eau reste constant en utilisant une canalisation. Cela réduit considérablement la taille du puisard nécessaire à ce type de système de culture.

   Culture en eau profonde : Cette méthode de culture consiste à suspendre les plantes dans un radeau flottant, ce qui permet aux racines de s'accrocher dans l'eau (Figure 8). Les racines des plantes sont en contact constant avec l'eau riche en nutriments provenant de l'aquarium.

   Une filtration efficace des solides est une exigence dans ces systèmes pour empêcher les solides de pénétrer dans le lit de la plante et de colmater les racines des plantes. L'aération doit également être assurée dans les abreuvoirs pour maintenir des niveaux d'oxygène adéquats pour les racines des plantes et les bactéries bénéfiques. En plus de leur grande capacité de rétention d'eau qui maintient les paramètres de qualité de l'eau plus stables, le dessous des radeaux et le revêtement des aubes offrent un espace suffisant pour coloniser les bactéries nitrifiantes. Le design lui-même fournit également un coussin contre les pannes de courant, car les racines restent immergées dans l'eau malgré la perte d'eau ou de débit d'air.

   Tableau 2 : Règles empiriques pour le DWC en aquaponie.

    \ *Exception concerne les premiers stades de la vie où les poissons peuvent consommer 5 à 10% de leur poids corporel dans les aliments par jour.

   La culture en eau profonde (DWC) est plus productive (kg de produit/m^2^ espace de croissance) que les systèmes basés sur les médias ; toutefois, elle peut être plus difficile à gérer à plus petite échelle. Ces systèmes sont bien étudiés par l'industrie hydroponique et aquaponique et sont couramment mis en œuvre dans des milieux commerciaux.

   Les légumes verts feuillus et les herbes, comme le basilic, font bien dans ce système de production. Les cultures fructueuses comme les tomates, les concombres et les poivrons peuvent réussir avec des densités nutritives appropriées et un soutien structurel. La technique DWC peut ne pas convenir aux zones où l'accès aux fournitures ou aux équipements est limité. Les règles empiriques pour le DWC en aquaponie sont énumérées dans le tableau 2.

   Technique : La technologie des films nutritifs (NFT) provient directement de l'industrie hydroponique. Dans cette méthode, les plantes sont insérées dans le haut des canaux horizontaux peu profonds. Un petit film d'eau est pompé à travers le canal, entrant en contact avec les racines des plantes qui utilisent ces nutriments pour la croissance (figure 9). Les systèmes NFT, comme le DWC, nécessitent une filtration suffisante des solides pour éviter la contamination des racines des plantes. Contrairement au DWC, les systèmes NFT ont besoin d'un filtre biologique distinct, car le canal à lui seul ne fournit pas suffisamment de surface pour une croissance suffisante des bactéries nitrifiantes.

   Ces systèmes sont plus complexes à concevoir, construire et gérer que les systèmes basés sur les médias. Si les canaux ne sont pas correctement dimensionnés, les racines des plantes peuvent perturber l'écoulement de l'eau en obstruant les tuyaux. Cette conception suppose un certain risque, car la défaillance de la pompe peut entraîner une perte importante de récolte si le débit d'eau ne reprend pas rapidement. Cependant, NFT peut être un excellent système pour les zones urbaines ou les toits car ils sont légers, utilisent très peu d'eau et peuvent être fabriqués à partir de matériaux facilement approvisionnés. Les règles empiriques pour la TVN en aquaponie sont énumérées dans le tableau 3.

    

   Tableau 3 : Règles empiriques pour la TVN en aquaponie

    \ *Exception concerne les premiers stades de la vie où les poissons peuvent consommer 5 à 10% de leur poids corporel dans les aliments par jour.

   *Source : Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Université d'État du Kentucky. Manuel de production aquaponique : manuel pratique pour les producteurs. *

5. 2.5 Carter

   Original publication 2021 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   Le puisard est le point le plus bas du système et où l'eau s'accumule pour être distribuée au besoin dans tout le système. Des échantillons de qualité de l'eau peuvent être prélevés ici et des modifications peuvent être apportées sans surcharger les poissons ou les composants hydroponiques. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une exigence, l'ajout d'un puisard empêche que le niveau d'eau ne change dans le réservoir de poissons ou dans le composant hydroponique. Dans d'autres cas où des mesures de protection sont mises en place, le réservoir à poisson ou le composant hydroponique peut être utilisé comme puisard.

   *Source : Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Université d'État du Kentucky. Manuel de production d'aquaponie : manuel pratique pour les producteurs. *