Les circuits fermés en aquaculture possibilités de traitement et choix d'un procédé

par MM. P. MOUCHET Département « Étude des Eaux »

et J.-C. JACQUART Département « Recherche-Biologie » de DEGREMONT.

1. INTÉRÊT DES CIRCUITS FERMÉS EN AQUACULTURE

Le développement des techniques agricoles a consisté à placer les végétaux et les animaux reconnus utiles pour l'Homme dans des conditions toujours plus favorables à leur multiplication ; le résultat était tellement éloigné des équilibres naturels que l'on a pu dire que l'agriculture était « l'artificialisation du milieu » ; mais nul ne songerait maintenant à contester la nécessité de ces transformations.

La course aux protéines est susceptible de provoquer, dans un avenir proche, une évolution similaire en milieu aquatique ; la même expression pourra alors s'appliquer à l'aquaculture, si elle connaît les futurs développements qu'on lui prédit déjà.

En effet, cette technique ne sera rentable et réellement productive que si l'on fournit aux poissons, crustacés, etc., un environnement plus favorable que leur milieu naturel ; en particulier, la température sera l'un des facteurs déterminants. Dans cette optique, le développement de l'aquaculture devrait logiquement être lié à l'adoption de circuits fermés pour l'approvisionnement en eau des bassins. Nous voyons déjà à cela trois raisons principales :

• nous venons d'évoquer le facteur thermique : en effet, pour pouvoir envisager des rendements satisfaisants, il faut que les sujets, et plus particulièrement les juvéniles, ne soient pas soumis comme dans le cycle naturel aux variations saisonnières de température ; dans de nombreux cas, en climat tempéré du moins, il faudra donc envisager un conditionnement thermique de l’eau des bassins d'élevage (à une température correspondant à l’optimum pour l'espèce considérée et souvent supérieure à la température moyenne de l'eau dans le milieu naturel) : un circuit fermé permettra alors une économie d'énergie appréciable sur le plan calorifique, tout en évitant un rejet dont la température pourrait perturber le milieu récepteur ou ne plus répondre aux normes ; cette disposition serait également intéressante si on désirait élever des espèces tropicales ou à l’inverse si, dans certains cas et/ou à certaines périodes, il fallait une eau à une température plus basse que celle de la source d'approvisionnement (pour un élevage de truites ou de saumons, par exemple) ;
• le circuit fermé permet aussi d'ignorer les variations d'ordre chimique (salinité en particulier), auxquelles les jeunes sujets sont particulièrement sensibles (entre autres, pour des raisons d’adaptation de pression osmotique) ;
• d'autre part, ce système soustrait l'élevage à l'influence des pollutions extérieures : en cette année 1978, qui a connu le naufrage de l'Amoco-Cadix, on conçoit, par exemple, le danger que peut courir une ferme marine fonctionnant en circuit ouvert ; le circuit fermé peut aussi s'avérer très économique dans le cas d'une station d'aquaculture sise à proximité d'un lac ou d'une rivière pollués par des insecticides, des métaux lourds, etc.

D'autres justifications apparaîtront dans la pratique, par exemple : la lutte contre des conditions climatiques sévères (grands froids ou au contraire périodes de forte sécheresse, ces dernières pouvant même mettre à sec les rivières) ; les économies d'eau dans certains cas où l'approvisionnement est coûteux (eau du réseau, source naturelle nécessitant un traitement compliqué, etc.) ; les économies d'énergie lorsque les bassins d’élevage sont à une cote beaucoup plus élevée que celle de la source ; la facilité de conditionnement de l'eau si cela s'avère nécessaire (par exemple, pour élever des espèces non indigènes, lutter contre des parasites, faire des études d'ichtyopathologie, rechercher la possibilité de constituer des élevages marins à l'intérieur des terres, à l'endroit le plus favorable, etc.).

En tout cas, les réalisations existant déjà à l’étranger dans les pays où l'aquaculture connaît un réel développement sont une preuve de l'intérêt du recyclage de l'eau dans ce domaine, qu’il s'agisse d’eau douce ou d'eau de mer. La littérature abonde en auteurs qui ont recommandé l'utilisation de circuits fermés en aquaculture et en aquariophilie et qui ont en même temps décrit et étudié des installations déjà réalisées. Citons par exemple : BURKSTALLER & SPEECE, 1970 (1) ; DIETZEL, 1976 (2) ; HIRAYAMA, 1965 (3) et 1974 (4) ; KRAMER et al., 1972 (5) ; LEITRITZ, 1962 (6) ; LIAO & MAYO, 1972 (7) ; MESKE, 1971 (8) et 1973 (9) ; MESKE & NAGEL, 1975 (10) ; SAEKI, 1958 (11) ; SCOTT & GILLESPIE, 1972 (12) ; SPOTTE, 1970 (13) ; SQUIRES, 1977 (14), etc.

2. ÉLÉMENTS FONDAMENTAUX D'UN PROJET DE CIRCUIT FERMÉ

2.1. Paramètres à prendre en considération : ils sont nombreux. Il faudra baser un projet au minimum sur :

a) La qualité d'eau exigée par le type de poisson, de crustacé ou de mollusque soumis à l'élevage ; ces paramètres peuvent être très différents d'une espèce à l'autre ; les facteurs analytiques importants seront en général :

• la température, la valeur considérée comme optimale pour le métabolisme de l'animal peut être très différente de celle qui correspond à l’optimum de développement de certains micro-organismes qui interviennent dans l’épuration, en particulier les bactéries nitrifiantes (dont nous reparlerons plus loin) ;
• le pH, qui est sujet à la même remarque que celle que nous avons formulée ci-dessus pour la température ;
• l’oxygène dissous, dont un appauvrissement serait fatal à beaucoup de poissons, en particulier les truites ;
• l'azote sous ses différentes formes : organique (en particulier l'urée) et minérale (ammoniaque, nitrites, nitrates) ; rappelons que la somme de l'azote organique et de l'azote ammoniacal constitue l'azote Kjeldahl (symbolisé par NTK) ;
• certains autres paramètres physico-chimiques comme le CO₂, le TAC, le TH, la salinité, etc. ;

a) Les organismes pathogènes (bactéries, virus, champignons, protozoaires), qui doivent être rigoureusement absents du circuit alimentant l'élevage.

On trouve dans la littérature certains exemples d’exigences de qualité d'eau pour des types d'élevages donnés : voir par exemple BURKSTALLER & SPEECE, 1970 (1) en ce qui concerne les écloseries de truites et de saumons.

b) La densité des poissons dans l'élevage, lorsqu’il s’agit de pisciculture (il en serait de même pour des invertébrés, mais nous ne disposons pas de données chiffrées dans ce dernier cas). Le poids de poissons par m³ d'eau peut prendre des valeurs très diverses : on a cité des chiffres allant de 1 kg/m³ (surtout lorsqu’il s'agit d'aquariophilie) à 100 et même 300 kg/m³. On conçoit que suivant la charge réelle, la qualité d'eau à traiter en circuit fermé présente des caractéristiques très différentes ; ce paramètre permet d'expliquer la diversité des traitements que nous serons à même de proposer, allant de la simple filtration sur sable au procédé par boues activées.

c) Le type et la quantité de nourriture distribuée aux animaux.

d) Le volume total des bassins et la période de recyclage souhaitée.

2.2. Estimation des déchets

En partant des données énoncées ci-dessus, on peut estimer la charge polluante à éliminer. Il est possible de calculer la DBO₅ et la quantité d'ammoniaque qui seront formées à partir de la dégradation des aliments, d'après la composition chimique de ces derniers (ils contiennent souvent 30 à 50 % de protéines). En pratique, les mesures effectuées sur différentes piscicultures ont donné les taux d’excrétion suivants (par kg de poisson et par jour) :

— DBO₅ : environ 3 à 6 g/kg/j pour les truites (250 g), 5 à 10 g/kg/j pour des carpes. — NTK : SAEKI, 1958 (11) estime sa production à 0,5 g/kg/j ; 50 % environ de ce NTK seraient déjà de l'azote ammoniacal. D'autres chiffres parvenus par ailleurs à notre connaissance conduiraient plutôt à prendre en considération une production de NTK de 0,8 g/kg/j. Rappelons que c'est le NTK qui doit servir de base au calcul d'une installation de traitement, car l'azote protéique sera ultérieurement converti en NH₃ par le processus d'ammonification bactérienne.

Il ne faut pas oublier que ces chiffres d'excrétion directe doivent être augmentés de la charge polluante résultant de la nourriture non consommée, qui subira les mêmes dégradations par voie uniquement bactérienne. Or, il semble que le pourcentage d'aliments non consommés puisse atteindre des valeurs de 30 % et même de 50 %. Le premier problème à résoudre ne concerne donc pas le traiteur d'eau, mais l'aquaculteur : est-il possible de réduire ou même d'annuler cette charge polluante additionnelle, en recherchant soit un moyen de collecte des aliments non consommés, soit une méthode d'alimentation ne laissant pas de refus ? En l'absence de telles mesures, il faut tenir compte de la nourriture délaissée, à divers titres :

— dans le calcul de la DBO₅ et du NTK à éliminer (l'installation peut même être dimensionnée uniquement sur la quantité et la composition de la nourriture distribuée) ; — dans la prévision du mode d’élimination de ces refus, qui peuvent se retrouver sous différents états (solide, colloïdal ou dissous), suivant le degré d'attaque par les bactéries.

3. Principes de base du traitement

La DBO₅ totale que nous avons évoquée au § 2.2 correspond en fait à différents états : elle représente, comme pour les refus, la somme des charges organiques liées aux matières en suspension, aux colloïdes et aux matières dissoutes, respectivement. Il faut, d’autre part, tenir compte également des produits de dégradation de la DBO₅ et du NTK, de même que des organismes vivants indésirables. Au total, un traitement en circuit fermé doit être basé sur les éléments suivants :

3.1. Déchets solides (fèces, nourriture non utilisée, auxquelles il faut ajouter les micro-organismes autotrophes et saprophytes susceptibles de se développer, c'est-à-dire les algues et les bactéries). Globalement, on les estime par les mesures de turbidité, couleur apparente, matières en suspension. On les élimine par un traitement de clarification : décantation et/ou filtration.

3.2. Déchets dissous : ils peuvent se subdiviser en trois catégories : déchets organiques, azote sous ses différentes formes, CO₂.

a) Organiques (mesurés par la DBO₅, l'oxydabilité au permanganate de potassium, la DCO au dichromate), ils seront éliminés soit par un traitement physico-chimique (coagulation-floculation et/ou adsorption sur charbon actif), soit par un traitement biologique (filtre ou lit bactériens, boues activées) ; on peut aussi combiner ces deux types de traitement par un traitement physico-chimique en décanteur, suivi d'une filtration biologique par exemple.

b) Les différentes formes de l’azote : les matières azotées initialement contenues dans les aliments vont en fait subir différents stades de dégradation successifs ; elles seront d'abord décomposées en acides aminés et en composants organiques fondamentaux (urée en particulier), puis en ammoniaque, en nitrites, en nitrates et, éventuellement, en azote et oxydes d'azote.

Ces différents stades, tous effectués par voie microbienne, ont été décrits par SPOTTE, 1970 (13) :

— Minéralisation — Ammonification : matières azotées → urée — Désamination : urée → NH₃ — Nitrification : NH₃ → NO₂ → NO₃ — Dénitrification : NO₃ → N₂, N₂O.

La minéralisation des matières protéiques (par des bactéries hétérotrophes) se produira déjà dans les bassins d’élevage. C'est l'élimination de l'ammoniaque formée qui représente ensuite la difficulté du traitement. On pourrait penser à différents procédés physico-chimiques, mais tous sont d'application difficile en aquaculture :

— chloration au point critique (break-point) : il faut éliminer ensuite le chlore résiduel ; mais aucun procédé de déchloration (charbon actif, réduction par SO₂ ou hyposulfite) ne semble présenter une fiabilité suffisante pour garantir la sécurité des poissons ; — stripping : celui-ci ne peut s’effectuer qu'en milieu fortement alcalin, et ce procédé serait coûteux et compliqué ; — échange d'ions sur clinoptilolite : procédé encore mal maîtrisé.

Il apparaît donc préférable d’éliminer l'ammoniaque par nitrification biologique (grâce à des bactéries autotrophes) qui s'effectuera simultanément, soit à une filtration sur sable ou autre matériau, soit à un traitement biologique (à faible charge) d’élimination de la pollution carbonée (DBO). Rappelons que cette métabolisation de l'ammoniaque s'effectue en deux étapes successives :

— transformation de NH₃ en NO₂, sous l'influence de Nitrosomonas et Nitrosococcus, d’après l'équation globale :

NH₃ + 3/2 O₂ → NO₂ + H₂O + 2 H⁺        (1)

— transformation de NO₂ en NO₃, sous l'influence de Nitrobacter, d'après l'équation globale :

NO₂ + 1/2 O₂ → NO₃                        (2)

Le bilan de la nitrification est alors :

NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃⁻ + H₂O + 2H⁺ (3)

Cette dernière équation nous montre qu'il faut 3,55 mg d’oxygène pour nitrifier 1 mg de NH₄⁺ (ou encore 4,55 mg d’O₂ pour nitrifier 1 mg d'azote ammoniacal) : une aération sera donc nécessaire.

DOWNING, 1964 (15) et HAUG & McCARTY, 1972 (36) complètent ces réactions en faisant intervenir la formation du protoplasme bactérien, de formule globale C₅H₇NO₂, rendue possible par l'énergie libérée au cours de la nitrification ; mais dans les équations globales ainsi obtenues, le bilan oxygène-azote ammoniacal reste sensiblement dans le même ordre de grandeur.

L’équation (3) montre aussi que la nitrification entraîne une acidification du milieu, ce qui rendra obligatoire l'application d'un produit neutralisant.

Après le stade de nitrification, il peut se produire une dénitrification au moins partielle, même en milieu aérobie, par des bactéries autotrophes ou hétérotrophes : cette conversion métabolique des nitrates en formes gazeuses de l’azote est souhaitable pour éviter l'accumulation des nitrates dans le circuit fermé ; mais ces gaz dissous doivent être éliminés (ce qui sera réalisé par un choix judicieux du procédé d'aération) pour éviter une sursaturation de l'eau.

c) Le gaz carbonique, qui doit être aussi éliminé au fur et à mesure de sa production, car il abaisse le pH de l'eau.

Une partie importante du CO₂ peut être chassée pendant l’aération, tout comme N₂, N₂O, etc. Le reste sera neutralisé par l'utilisation d’un produit alcalin destiné à ramener l'eau aux conditions optimales de pH, qui devront réaliser un compromis entre les exigences des animaux en élevage d'une part, celles des germes bactériens mis en œuvre pour le traitement d’autre part, et parfois l'équilibre calco-carbonique de l'eau.

3.3. Micro-organismes parasites et pathogènes :

Ils seront éliminés par un traitement approprié de désinfection, soit physique (rayonnements ultra-violets), soit chimique (chlore et/ou brome, dioxyde de chlore, ozone, etc.). Soulignons bien que ce doit être un traitement désinfectant et non complètement stérilisant, puisqu’une partie au moins des autres stades de traitement est basée sur l'action de germes bactériens utiles.

Jusqu’à maintenant, il semble que ce soit surtout des procédés chimiques de désinfection qui aient été mis en œuvre. L’emploi du chlore a été cité, par exemple, par BURKSTALLER & SPEECE, 1970 (1) ; en eau de mer, on peut même appliquer un procédé d’électro-chloration, qui engendre « in situ » de l'hypochlorite par électrolyse (à noter que Degrémont possède un brevet d'application de ce type de procédés) : son utilisation a été signalée à Hong Kong par SQUIRES, 1977 (14).

L'ozone a également été utilisé : FAUVEL, 1962 (16) et 1964 (47) a préféré de beaucoup son action à celle du chlore pour l’épuration de coquillages divers (huîtres, palourdes, moules) ; BIVER, 1971 (18) a recommandé son usage pour l’élevage des poissons et des écrevisses, et MURPHY, 1975 (19) pour le recyclage de l'eau en océanarium.

L'application de ces oxydants dépend de la nature du traitement choisi : dans l’hypothèse d'un traitement physico-chimique de clarification et d’élimination de la DBO, couplé à une nitrification réalisée dans un stade de filtration, leur point d’introduction pourrait être placé indifféremment en tête ou en fin de traitement. Le fait d'introduire l’oxydant en tête permettrait de profiter du temps de contact réalisé dans certains appareils (en décantation, par exemple) ; cette disposition ne gênerait apparemment pas la nitrification, d’après les constatations de GHOSH, 1965 (20), cité par BURKSTALLER & SPEECE, 1970 (1), et d’après nos propres observations sur des installations de traitement d'eaux souterraines (nous avons constaté que des teneurs résiduelles de 0,3 mg/l de chlore ou d’ozone n'empêchaient pas la nitrification de se produire) : l'oxydant résiduel disparaît dès les premières couches de matériau filtrant ; par contre, un procédé par boues activées, par exemple, implique obligatoirement d'introduire l’oxydant désinfectant à la fin du traitement.

Dans tous les cas d'utilisation du chlore, il faut prévoir un temps de contact minimal de 30 minutes, suivi d'une déchloration ; cette dernière peut être chimique (SO₂, Na₂S₂O₅, etc.), mais consistera, de préférence, en une filtration sur charbon actif granulé, à une vitesse voisine de 10 m/h.

En ce qui concerne l'ozone, la réduction de l'oxydant résiduel ne semble souhaitable que si l’ozonation se pratique en fin de traitement. À noter que dans les cas d'élevage en eau de mer, le chlore et l’ozone libèrent du brome à partir des bromures, et que leur mise en œuvre aboutira donc au moins partiellement à une désinfection par le brome.

Mais il y a aussi les procédés physiques : l’aquaculture semble bien être un terrain d'expérimentation idéal pour l'application des rayons ultra-violets, dans la mesure où l'on redoute certains effets secondaires de la désinfection par des réactifs oxydants. Les développements les plus récents de la technologie des appareils générateurs de rayons U.V. ont permis de constater leur efficacité sur les germes-tests de contamination fécale et sur les germes pathogènes, non seulement dans le traitement des eaux de surface (même turbides) pour la production d'eau potable (21, 22, 23), mais aussi dans le traitement des eaux résiduaires urbaines, dans le cas d’effluents secondaires (24) et même d'effluents primaires (25).

Pour l'aquaculture, l'utilisation des rayonnements ultra-violets a été recommandée par SQUIRES, 1977 (14) et par HERALD et al., 1962 (37). D'autre part, ESCALLIER, 1976 (26), a signalé leur emploi à l’Aquarium de Monaco, à l'Aquarium de Nancy, au CNEXO à Brest, au Laboratoire de Physiologie de l'Université de Brest, à l'Institut scientifique et technique des Pêches Maritimes (Roscoff et Île d’Yeu), au C.I.G.R.E.F. à Bordeaux sur l'élevage des anguilles, etc. : partout, leur application semble avoir donné des résultats satisfaisants. À Monaco, en particulier, ESCALLIER, 1978 (27), signale une élimination totale des coliformes, d’E. coli, des streptocoques et de Salmonella, alors que la communication précédente (26) précise que ce traitement laisse subsister les germes saprophytes ou autotrophes utiles, de même d'ailleurs que d'autres organismes utiles à l'équilibre biologique de l'aquarium : Diatomées, Ciliés.

Larves Cypris de Cirripèdes, Copépodes, etc. On peut donc très sérieusement envisager une généralisation de l'application des U.V. à l'aquaculture, mais des études complémentaires seraient souhaitables.

3.4. Éléments à introduire dans l’eau du circuit

En dehors des réactifs qu'il faut éventuellement injecter en fonction de la nature du traitement (coagulant, réactif alcalin, désinfectant), mais dont la persistance dans l'eau est soit indifférente, soit indésirable, il faut apporter à l’eau en circulation :

a) De l’oxygène, nécessaire pour :

— réaliser la nitrification, dont nous avons vu les mécanismes au § 3.2 et, éventuellement, la minéralisation des matières organiques (DBO) en CO₂ (dans le cas d'un traitement entièrement biologique) ;

— alimenter la respiration des poissons : SQUIRES, 1977 (14), estime que cette consommation varie de 100 à 200 ml O₂ par kg de poisson et par heure, ce qui donne un maximum d'environ 10 l/kg/j, soit près de 15 g/kg/j. D'autres auteurs citent des chiffres qui ne sont pas supérieurs à 5 g/kg/j. En fait, la quantité exacte d'O₂ à fournir dépendra de l'espèce élevée ;

— maintenir dans l'eau le pourcentage de saturation en O₂ correspondant aux exigences de l'espèce élevée.

Cet apport d'oxygène sera réalisé par l'aération. L'emploi d'oxygène pur pourrait aussi être envisagé (on pourrait ainsi travailler sous pression sans craindre une sursaturation en azote).

b) Une thermo-régulation éventuelle, pour maintenir dans le circuit une température constante correspondant, elle aussi, au type d'aquaculture pratiqué ; lorsque ce sera nécessaire, le circuit fermé comportera donc des échangeurs de température.

Nous allons examiner maintenant la mise en œuvre de ces divers principes de traitement en circuit fermé. L’aquaculture est un domaine relativement neuf, mais qui peut profiter de l'expérience acquise antérieurement dans le traitement des eaux en général ; les réalisations déjà effectuées montrent que l'on peut y appliquer aussi bien des procédés inspirés du traitement des eaux naturelles pour les eaux potables, les eaux industrielles de fabrication ou les piscines, que ceux qui sont adaptés aux eaux résiduaires urbaines ou industrielles à caractère organique. Nous allons donc examiner successivement les possibilités offertes par ces deux catégories de traitement.

4. PROCÉDÉS INSPIRÉS DU TRAITEMENT DES EAUX POTABLES OU DES EAUX DE PISCINE

Ce seront des méthodes de traitement à caractère physico-chimique dominant, sauf en ce qui concerne l'ammoniaque qui sera éliminée par la voie biologique de nitrification.

4.1. Éléments de base du traitement

4.1.1. L'aération

Avant tout, elle est destinée à apporter à l'eau l'oxygène dont nous avons évoqué plus haut (§ 3.4) la nécessité. Les techniques d'aération sous pression doivent être proscrites, car elles introduisent dans l'eau une sursaturation en azote qui provoque ensuite la mort des poissons par embolie gazeuse (« gas bubble disease » pour les Anglophones). Il faut donc choisir une aération ouverte, à la pression atmosphérique, qui présentera, en outre, l'avantage de permettre le départ des gaz indésirables produits par les diverses fermentations dont les bassins et les appareils de traitement sont le siège : CO₂, N₂, N₂O, etc. Signalons que le CO₂ pourra provenir simultanément :

— de la minéralisation des matières carbonées ;

— des bicarbonates alcalins et alcalino-terreux de l'eau, après attaque par l'acide nitrique produit au cours de la nitrification.

Suivant les conditions locales, on pourra choisir le procédé d'aération ouverte parmi les techniques suivantes : cascades, ruissellement, pulvérisation (ventilée ou non et, éventuellement, suivie d'une bâche de contact, agitée ou non), hydro-éjecteurs (couplés à un bassin d’homogénéisation et de dégazage), tour de contact (ouverte à l'atmosphère et garnie de pouzzolane, anneaux Rashig, etc.), procédé INKA (insufflation d’air, par un ventilateur, à travers une plaque perforée sur laquelle l'eau circule en couche de faible épaisseur), injection d’air en colonne par corps poreux, turbine, etc. La tour de contact avec pouzzolane peut, en outre, être conçue comme un prénitrificateur.

Lorsqu'on pratique une aération unique, elle est en général placée après la filtration (pour compenser la consommation d'oxygène pendant le traitement) ; mais l'eau issue des bassins peut présenter un déficit en O₂ à l'entrée du filtre, rendant impossible une nitrification complète (sauf si on pratique une aération complémentaire dans les bassins eux-mêmes).

Aussi pensons-nous que l'idéal serait, comme le recommande d'ailleurs SQUIRES, 1977 (14), d’encadrer la filtration par deux aérations.

4.1.2. La filtration

Dans la catégorie de traitements considérée ici, et en dehors d'un prétraitement mécanique (grille, tamis, etc.) toujours utile, nous envisageons la filtration sur sable ou éventuellement sur filtre bicouche (anthracite + sable) ; d'autres matériaux filtrants, en particulier la biolite, seront évoqués avec les procédés biologiques inspirés des traitements d’eaux résiduaires (§ 5).

Comme il s’agit ici de procédés physico-chimiques, il faut envisager une introduction de réactifs en amont de la filtration :

— coagulant, pour éliminer la turbidité, la couleur, les matières organiques floculables, les phosphates ; on utilisera de préférence le sulfate d'aluminium en eau douce et le chlorure ferrique en eau de mer ;

— désinfectant éventuel : chlore, brome, ozone, etc. (voir § 3.3.). Dans le cas d'un traitement à l’ozone, celui-ci peut être combiné avec l'aération ;

— produit d’ajustement du pH : en effet, il existe dans le circuit de nombreuses causes d'acidification (dont certaines ont été évoquées plus haut) :

• production de CO₂ par la minéralisation des matières carbonées ; • production de HNO₃ par la nitrification ; • réaction acide du coagulant (Al₂(SO₄)₃ ou FeCl₃) et du chlore.

Il est possible de neutraliser cette acidité par une base ou un sel soluble dans l'eau (Ca(OH)₂, NaOH, Na₂CO₃) ; mais un tel traitement est difficile à ajuster et risque de présenter un danger en cas de surdosage éventuel (élévation excessive du pH et conversion de NH₄⁺ en NH₃ toxique). La meilleure solution réside dans une filtration sur matériau à base de calcaire : craie broyée, calcite, neutralite, coquilles d’huîtres concassées (ce dernier matériau favorisant, en outre, la nitrification) ; le produit granulé peut être disposé à la surface des filtres à sable, ou mélangé au sable, ou mis en œuvre dans un stade complémentaire de filtration.

En ce qui concerne la filtration proprement dite, elle se fera sur un sable dont la taille effective sera voisine de 1 mm (ou, dans le cas d'une filtration bicouche, sur de l'anthracite et du sable de tailles effectives d’environ 1,5 et 0,75 mm, respectivement). SQUIRES, 1977 (14), rappelle que la vitesse de filtration ne doit pas être trop élevée pour permettre la nitrification en même temps que la clarification : il recom-

… des vitesses de 3,5 m/h à 7,5 m/h  ; l’efficacité des bactéries nitrifiantes chuterait pour une vitesse supérieure à 9 m/h environ.

D’autre part, KAWAI et al., 1965 (28), ont étudié la nitrification pendant la filtration sur sable et ont constaté qu’un sable trop bien lavé pourrait perdre jusqu’à 80 % de sa capacité nitrifiante  : le lavage des filtres doit donc être modéré pour laisser un ensemencement suffisant.

SAEKI, 1958 (11), estime qu’il existe une corrélation entre la quantité de poissons et la masse de sable nécessaire à la nitrification  : il y aurait suffisamment de bactéries nitrifiantes dans le filtre si le poids de sable est égal à 30 fois le poids de poisson. Mais ce résultat ne semble pas en accord avec les observations de KAWAI et al., 1965 (28), qui ont trouvé que les bactéries nitrifiantes étaient surtout concentrées dans les couches supérieures de sable. En fait, notre expérience dans d’autres domaines (en particulier le traitement des eaux profondes) nous a montré que la nitrification était en général complète dans des conditions normales de filtration (vitesse de 5 à 10 m/h, hauteur de couche : 0,8 à 1 m) pourvu que l’eau contienne à l’entrée du filtre suffisamment d’oxygène (voir réaction (3) § 3.2) et un peu d’ortho-phosphates pour alimenter les bactéries et que la teneur en ammoniaque à l’entrée du filtre ne soit pas supérieure à 22,5 mg NH3/l.

4.1.3. La désinfection

Du fait des dangers présentés par l’utilisation du chlore, nous préconiserons de préférence (voir aussi § 3.3.) :

• soit une ozonation en tête de traitement (il semble que la reviviscence bactérienne après ozonation soit du reste favorable aux germes nitrifiants) ou éventuellement à la fin du traitement ;
• soit un traitement final aux ultra-violets.

4.2. Conception d’une installation de traitement

La mise en œuvre des différents principes que nous venons d’exposer peut se concevoir de différentes façons. Tous les cas possibles sont résumés sur la figure n° 1, d’après laquelle l’utilisateur pourra effectuer un choix en fonction des conditions locales et des renseignements complémentaires dont il pourrait disposer. Mais dans cette catégorie de traitements, il faudra toujours trois étapes fondamentales : aération, floculation-filtration, désinfection ; si la floculation sur filtre ne suffit pas à éliminer toutes les matières organiques, on peut encore ajouter une filtration complémentaire sur charbon.

actif en grains avant désinfection. Si la teneur en NH₄⁺ est trop élevée à l'entrée du filtre à sable, l'aération peut être pratiquée dans un nitrificateur à pouzzolane 2-5 mm dont le volume V (m³) est relié au débit Q (m³/h) et à la température t (°C), pour une teneur ΔNH₄⁺ à éliminer, par la formule de RICHARD et al., 1978 (39) :

ΔNH₄⁺ = 12 V^0,107 Qₑ Q

4.3. Données bibliographiques sur les installations déjà réalisées

Des applications de la catégorie de procédés que nous venons de décrire ont été signalées par :

• BURROWS, cité par BURKSTALLER & SPEECE, 1970 (1) : installation industrielle à Longview, Washington ; elle comporte : coagulation au sulfate d’aluminium, filtration sur sable et sur coquilles d’huîtres, aération par hydroéjecteur et chambre de contact, désinfection par rayons ultra-violets.
• DEWITT & SALO, 1960 (29), au Humboldt State College : filtration sur sable et aération.
• PARISOT, 1967 (30) : filtration sur coquilles d’huîtres, charbon actif et sable ; échangeur de température.
• McCRIMMON & BERST, 1966 (31) : aération, filtration sur sable, filtration sur charbon actif.
• Pour les aquariophiles, TETON recommande la filtration sur sable et/ou charbon actif (32) ou sur d’autres matériaux tels que la pouzzolane (33).
• CAZAUX & COUTANT, 1972 (34) signalent, d’autre part, l’emploi de charbon actif à l’aquarium d’Arcachon.

Il y a peu de données sur les résultats analytiques obtenus ; citons néanmoins :

• DEWITT & SALO, 1960 (29), sur un élevage de truites, obtiennent après filtration sur sable et aération : Oxygène dissous : 8 à 10 mg/l O₂
• SQUIRES, 1977 (14) : traitement par aération et filtration sur sable (v = 7,3 m/h), pour un bassin contenant 1,1 à 1,7 kg de poissons par m³ d’eau ; la période de renouvellement de l’eau est de 1,5 h. L’eau traitée présente les caractéristiques suivantes : Température : 26 à 30,5 °C Oxygène dissous : 5,57 mg/l O₂ Orthophosphates : 0,1 mg/l PO₄³⁻ en moyenne Ammoniaque : 0,1 à 0,05 mg/l NH₃-N (0,02 mg/l en moyenne) Nitrites traces : 0,02 mg/l NO₂⁻ Les filtres sont lavés tous les 2 à 4 jours, suivant la charge de poissons dans les bassins.

5. PROCÉDÉS INSPIRÉS DU TRAITEMENT DES EAUX RÉSIDUAIRES URBAINES ET DES TRAITEMENTS TERTIAIRES

5.1. La filtration biologique

Cette technique est en quelque sorte une transition entre les traitements évoqués précédemment et les traitements biologiques proprement dits qui ont été et sont développés dans le cas des « circuits fermés » en élevage piscicole.

Il s’agit d’un procédé original qui est de fait un lit bactérien immergé où l’on applique les techniques de culture fixée ; il est couramment utilisé pour les eaux résiduaires d’origine domestique ou industrielle dans lesquelles subsistent, et c’est le cas des traitements tertiaires d’eaux résiduaires urbaines, une part de pollution dissoute qu’il va être possible d’éliminer par voie biologique. Cette culture fixée est rendue possible par l’utilisation d’un matériau dénommé la « biolite » dont la structure offre les possibilités suivantes :

• Granulométrie grossière permettant de filtrer en profondeur (ceci ayant pour effet de réduire la vitesse de montée en perte de charge et de prolonger la durée de cycle) ;
• Macroporosité permettant la fixation de micro-organismes épurateurs et leur maintien dans la masse filtrante, même après un lavage périodique intensif à contre-courant d’air et d’eau.

Un tel matériau, utilisé sur un circuit de recyclage d’eau en pisciculture, va de fait permettre de combiner l’épuration par des organismes aérobies (élimination de la matière organique dissoute) et une rétention importante de matières en suspension par filtration.

5.1.1. Conception d’une installation de traitement (voir fig. n° 2)

5.1.1.1. Prétraitement

Il est indispensable de disposer d’ouvrages de prétraitement élaborés qui vont permettre une rétention des matières fécales et de la nourriture non consommée afin d’éviter la solubilisa—

5.1.1.2. Traitements physico-chimiques

Ils ont pour but d’éliminer les éléments qui se présentent sous forme de matières en suspension ou de colloïdes dans les eaux à traiter ; on pourra alors utiliser des sels métalliques tels que le sulfate d’alumine ou le chlorure ferrique en combinaison avec des polymères de synthèse anioniques et ce dans des ouvrages classiques de décantation.

5.1.1.3. La filtration biologique

Nous avons évoqué la technique mise en œuvre, nous retrouvons les technologies classiques de filtration, si ce n’est qu’il sera indispensable de faire précéder le filtre d’un bassin de préaération (taux d’oxygène restant après décantation et pré-traitement) ; en effet, l’oxygène est un élément indispensable au développement de micro-organismes aérobies qui vont éliminer la pollution dissoute (hétérotrophes) et aux micro-organismes (autotrophes) assurant l’oxydation des formes ammoniacales par le processus de nitrification.

5.1.2. Données bibliographiques sur les études déjà réalisées

• — SPOTTE, 1970 (13) : étude portant surtout sur l’élimination de l’azote.
• — ECK Bernard, Université des Sciences et Techniques du Languedoc, 1974, Montpellier (35) : mise au point d’un pilote de recyclage d’eau d’élevage piscicole.

5.2. Traitements biologiques

Deux des traitements biologiques couramment utilisés en eaux résiduaires municipales ou industrielles ont été appliqués aux élevages piscicoles : ce sont les lits bactériens et les boues activées.

5.2.1. Lits bactériens ou lits à ruissellement

Il s’agit d’une technique maintenant éprouvée ; la culture bactérienne peut être fixée sur des matériaux tels que la pouzzolane ou des cailloux. Les charges exprimées en kilo de DBO5/m³ de matériau et par jour sont généralement faibles et nous avons associé à l’élimination de la matière organique une oxydation des formes réduites de l’azote.

Les développements récents (une dizaine d’années) en ce qui concerne les matériaux de remplissage avec les mises au point de matériaux plastiques (tels que Flocor ou Cloisonyle) ont ouvert de nouvelles possibilités d’utilisation de ce type de technique ; on peut estimer qu’il existe actuellement deux types distincts de conception à partir des matériaux plastiques.

5.2.1.1. Filtres bactériens classiques (lits à ruissellement)

Ils sont alimentés par un sprinkler tournant et le flux se déplace de haut en bas ; un film bactérien épurateur se développe à la surface du matériau, l’oxygène nécessaire à l’élimination de la pollution est apporté à la fois par l’eau (ruissellement) et par l’air (aspiration naturelle de bas en haut) ; on pratique ensuite une clarification pour éliminer la zooglée excédentaire.

5.2.1.2. Tambours tournants (Rotobiac, Rotonyl, etc.)

Il s’agit d’ouvrages horizontaux : le matériau plastique est disposé dans une sorte de « cage d’écureuil », entraînée par un moteur électrique dans une auge qui pourrait être métallique ou en béton.

Cette technique est, de fait, à mi-chemin entre les lits bactériens et les boues activées. En effet, nous avons dans ce type d’installation un double effet.

Il se développe sur le matériau plastique un film bactérien qui va participer à l’élimination de la matière organique, mais nous avons, en même temps, une suspension bactérienne (qui n’est autre que de la boue activée) dans l’auge ; le tambour tournant remplit alors des fonctions d’aérateur et permet de transférer l’oxygène nécessaire à la suspension bactérienne.

Dans ce type de technique, les charges appliquées sont faibles, mais il est assez difficile de faire le distinguo entre quantité de matière organique éliminée par la culture fixée (film bactérien) et par la culture bactérienne en suspension (boues activées).

Il est indispensable de pratiquer une clarification dans un décanteur, comme dans le cas d’une boue activée.

5.2.2. Boues activées

Ces techniques ont été étudiées et appliquées en Allemagne de l'Ouest pour les carpes (8) et pour les truites (Université de Munich).

Nous avons alors un traitement classique avec bassin d'aération et décanteur secondaire.

Dans le cas de circuit fermé en élevage piscicole, il est souhaitable d'appliquer de faibles charges inférieures à 0,1 kg de DBO5/kg MES/jour, pour espérer éliminer à la fois la matière organique et l'azote.

5.2.3. Filtration tertiaire

On peut être amené, en aval d'un traitement biologique, à envisager une filtration tertiaire sur sable ou sur bicouche sable-anthracite, pour éliminer des matières en suspension qui pourraient être trop élevées après un traitement biologique classique.

5.2.4. Conception des installations de traitements

La figure n° 3 résume les diverses techniques applicables au circuit fermé en élevage piscicole ; elles proviennent des techniques de traitement des eaux résiduaires domestiques.

5.2.5. Données bibliographiques sur les installations étudiées ou réalisées

— MESKE, 1971 (8) : boues activées. — Procédé allemand Stahlermatic ; tambour rotatif en France au CNEXO (Sodab-Trédarzec). — ECK, 1974 (35) : essais sur pilote à Montpellier. — KLINKE Reichenbach : Institut bavarois d'essais biologiques, Munich, station d'essais de Grosslappen. — SCHERB & BRAUN, 1970 (40) et 1971 (41) : boues activées, appliquées à un élevage de truites.

6. CONCLUSIONS

6.1. Éléments de discussion sur le choix du procédé

Dans les chapitres 4 et 5, nous avons examiné deux catégories de traitements très différentes, mais non sans lien cependant : en effet, la filtration biologique sur biolite représente une transition entre la filtration physico-chimique sur sable (mais accompagnée néanmoins du phénomène biologique de la nitrification) et les procédés biologiques traditionnellement appliqués en traitements d’eaux résiduaires (boues activées ou lits bactériens).

Il reste alors à résoudre la question principale : quel type de traitement faut-il appliquer dans un cas donné ? À cela, on peut répondre que ce choix sera fonction de la pollution à traiter, c'est-à-dire du poids de poissons par mètre cube d'eau et de la quantité de nourriture distribuée.

A priori, le traitement le plus simple est celui qui consiste en une filtration sur sable ou sur biolite, précédée et/ou suivie d'une aération (nous ne discuterons pas ici de la désinfection, nécessaire dans tous les cas). Mais la nitrification ne sera possible dans ce cas que si l'eau contient suffisamment d'oxygène à l'entrée du filtre : en supposant que la teneur en O₂ est proche de la saturation, elle dépendra de la température ; dans la plupart des cas, elle sera de l'ordre de 7 à 8 mg/l et ne pourra guère oxyder plus de 2 mg/l de NH₃ (dans le cas d'une filtration physico-chimique ; en filtration biologique sur biolite, il faut encore retrancher la DBO). C'est ce chiffre que nous prendrons maintenant en considération pour notre raisonnement.

Supposons une espèce de poissons qui excrète (déchets de nourriture compris) 0,8 g NTK/kg/jour, ce qui correspond à environ 1 g NH₃/kg/jour. Soit P le poids de poissons par unité de volume des bassins, en kg/m³ ; nous avons alors une production d'ammoniaque de P g NH₃/m³ de bassin/jour, soit encore ≈ 9 NH₃/m³/h.

Soit T la période de renouvellement, en heures, de l'eau des bassins par le circuit fermé et l'installation de traitement : le débit Q (m³/h) du circuit fermé est relié au volume total V des bassins (en m³) par la relation :

T = V / Q

À chaque passage dans le filtre, celui-ci devra éliminer la quantité d'ammoniaque produite pendant le temps T, soit par m³ d'eau :

PT / 24 = PV / (24 Q)

Pour pouvoir choisir une filtration simple, il faut que cette quantité soit inférieure à 2 g/m³, soit :

PV / (24 Q) < 2

ou encore :

P < 48 Q / V

Si l’on veut observer une période de renouvellement de deux heures, par exemple, il ne faudrait donc pas élever ce type de poissons à une densité supérieure à 25 kg/m³ pour pouvoir pratiquer une filtration sur sable. Certains expérimentateurs ont sans doute voulu appliquer ce procédé pour des densités de poissons très diverses, et c'est probablement la raison pour laquelle on trouve dans la littérature des chiffres très disparates de période de renouvellement, allant de 0,5 à 12 heures.

En fait, la période de recyclage de l'eau est surtout fonction de la production d'ammoniaque (qui dépend de la densité et du type des animaux, ainsi que de leur nourriture) d'une part, de la tolérance de l'espèce à cet élément, d'autre part. Elle sera donc souvent imposée, et il faudra alors adapter le type de traitement à choisir en fonction des différents paramètres fondamentaux : P : kg poissons/m³, T : heures de temps de séjour maximal de l'eau dans les bassins, productions de NH₃ et de DBO5 (par exemple, en g/kg/j).

Une faible densité de poissons conduira à une filtration sur sable ou sur biolite. La première suppose une action biologique sur l'ammoniaque uniquement, les matières organiques dissoutes étant éliminées par une floculation complétée par une oxydation et/ou une adsorption sur charbon actif ; dans ce cas, l'oxygène dissous dans l'eau n'est utilisé que pour la nitrification.

La filtration biologique, par contre, sera précédée d'un traitement physico-chimique qui n'éliminera que la DBO5 particulaire et ne touchera guère à la DBO5 dissoute : ses possibilités seront donc apparemment plus limitées que la filtration sur sable, puisque l'oxygène dissous parvenant au filtre à biolite devra alimenter simultanément les bactéries autotrophes de la nitrification et les bactéries hétérotrophes qui éliminent la pollution carbonée, ce qui diminue la dose d’ammoniaque théoriquement admissible sur le filtre. En fait, ce procédé présentera en contrepartie d'autres avantages :

— intérêt du prétraitement physico-chimique si l’on a affaire à un élevage produisant une quantité importante de matières en suspension ou colloïdales ;

— prix de revient plus faible si la DBO₅ de l’eau à traiter impose d’ajouter des traitements coûteux à la filtration sur sable, comme une oxydation à l’ozone ou une adsorption sur charbon actif en grains ;

— possibilité d’augmenter à volonté la concentration en oxygène à l’entrée de la biolite par injection d’oxygène pur ou par adjonction d’une recirculation de l’eau.

Enfin, une forte densité de poissons conduira à un traitement biologique conventionnel par lit bactérien ou boues activées.

Le choix du traitement sera donc chaque fois un cas d’espèce, et il faudra attendre un développement accru de l’aquaculture dans notre pays avant de pouvoir donner des limites d’emploi précises pour chaque procédé : il serait souhaitable qu’un axe de recherches concertées s’organise dans ce sens. Pour l’instant, nous pouvons néanmoins généraliser l’exemple que nous avions pris plus haut, afin de proposer un premier domaine d’application des différents types de traitements.

6.2. Bases provisoires du choix d’un procédé

Il faut partir des données de base de l’élevage :

P = kg poissons / m³  
T = période de renouvellement de l’eau (en heures) = V / Q  
(V = volume de bassin en m³, Q = débit de l’installation en m³ h⁻¹)

Déchets estimés (excrétion des animaux + refus de nourriture)  
NH₄⁺ : a g kg⁻¹ j⁻¹  
DBO₅ : b g kg⁻¹ j⁻¹, avec b = bᵢ + bₚ  
bᵢ = DBO₅ particulaire (en suspension)  
bₚ = DBO₅ dissoute

Les concentrations des polluants dans l’eau à traiter seront alors :

NH₄⁺ = P a T / 24 (g m⁻³)  
DBO₅ totale = P b T / 24 (g m⁻²)  
DBO₅ dissoute = P bₚ T / 24 (g m⁻²)

Pour nitrifier cette quantité d’ammoniaque, il faut alors apporter : 3,6 P a T / 24 (g O₂ m⁻³).

Enfin, nous supposons qu’à l’entrée des appareils de traitement l’eau présente une teneur en oxygène (O₂) mg l⁻¹ qui est fonction de divers facteurs :

— teneur égale à celle de l’eau dans les bassins ou augmentée par une aération additionnelle ;

— température de l’eau ;

— type et rendement de l’aération additionnelle ;

— éventuellement, apport d’oxygène pur.

6.2.1. Filtration biologique sur biolite

Il faut que la teneur en oxygène puisse permettre la minéralisation de la DBO₅ dissoute et la nitrification de l’ammoniaque, soit :

(O₂) ≥ (3,6 P a T / 24) + (P bₚ T / 24)

Ce qui conduit à l’obligation :

P ≤ 24 (O₂) / (3,6 a + bₚ)

A signaler d’autre part la formule de Hirayama (1966) pour le calcul d’un filtre biologique à sable en milieu marin.

6.2.2. Filtration sur sable

On ne considère plus que l’ammoniaque ; ce traitement est possible si :

(O₂) ≥ 3,6 P a T / 24  
soit  
P ≤ 24 (O₂) / (3,6 a T)

Mais il ne faut pas oublier qu’il faut alors s’assurer de la possibilité d’éliminer la DBO₅ soluble par voie physico-chimique.

6.2.3. Traitement biologique classique

Il faudra passer aux procédés par lit bactérien ou boues activées si les conditions ci-dessus ne sont pas remplies, c’est-à-dire si le poids P de poissons par m³ d’eau dépasse les conditions énoncées pour la filtration sur biolite ou sur sable. Le calcul de l’apport d’oxygène sera alors basé sur la nitrification de l’ammoniaque P a T / 24 et sur la minéralisation de la DBO₅ totale P b T / 24 (g m⁻³).

6.2.4. Cas particuliers où l’eau est admise sur les filtres avec une teneur de 7 à 8 mg l⁻¹ d’oxygène, permettant d’oxyder environ 2 mg l⁻¹ de NH₄⁺

— Filtration sur biolite, possible si :  
  P < 50 / (3,6 a T + bₚ T)  
— Filtration sur sable, possible si :  
  P < 50 / a T

Dans le cas contraire, il faut un enrichissement en O₂ avant biolite ou un traitement biologique complet.

6.3. Pourcentage d’eau d’appoint

Ce pourcentage est à définir en fonction de l’accumulation des matières dissoutes, des pertes d’eau dans le circuit, etc.

En particulier, un projet en circuit fermé doit tenir compte de l’élévation des nitrates par nitrification de l’ammoniaque ; il apparaît qu’un minimum de 5 % d’eau d’appoint par jour est indispensable, ce qui est le cas de figure couramment pratiqué en piscine ; il se peut que, dans certains cas, il faille envoyer des pourcentages d’eau d’appoint pouvant monter à 10 ou 20 %.

6.4. Distribution d’eau dans les bassins d’élevage

Certains auteurs (Squires) font état de la possibilité de disposer de bassins tampons qui vont permettre de stocker l’eau à l’obscurité pendant 12 heures avant de la recycler dans le bassin.

6.5.

Il semble indispensable de conserver la possibilité d’isoler un bassin en cas d’épidémie et de pouvoir l’alimenter séparément.

6.6.

Si l’élevage piscicole est caractérisé par des poissons d’âges différents, il faudra absolument prévoir une bonne désinfection, pour éviter de contaminer les jeunes qui sont plus fragiles.

P. Mouchet — J.-C. Jacquart

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