Brevet FR2651411A1 — publié le 19910308

Procédé de traitement des eaux piscicoles La présente invention concerne un procédé de traitement des eaux piscicoles et d'abaissement de la pollution générée par la pisciculture, et plus particulièrement par l'élevage des salmonidés, notamment des truites dans des bassins constamment alimentés en eau vive par suite de la dérivation de cours d'eau. En France, l'élevage en eau douce des salmonidés, ou salmoniculture, a connu ces dernières années, un ~ développement particulièrement important par suite du goût croissant des consommateurs pour ces poissons ; les stations de salmoniculture, traditionnellement présentes dans les départements de l'ouest de la France tendent à s'étendre sur la quasi totalité du territoire ; la condition essentielle à l'établissement de telles stations est la présence d'eau vive froide de caractéristiques physicochimiques et biologiques constantes : en effet, en raison d'une surface d'ouïes particulièrement faible, donc aux capacités d'échanges restreintes, les salmonidés et en particulier les truites ne peuvent vivre que dans des eaux d'une grande pureté, particulièrement riches en oxygène et ressentent instantanément toute les modifications d'ordre physique, comme les variations de température et d'ordure chimique, comme les pollutions. L'expérience a, malheureusement, montré que les stations de salmoniculture, qui comme il a déjà été indiqué ne peuvent être installées que sur des cours d'eau véhiculant de l'eau froide d'une grande pureté et particulièrement riche en oxygène, sont particulièrement polluantes ; on a, en effet, souvent pu constater que, en aval de ces stations, les cours d'eau ont une forte tendance à être envahis par différents végétaux tels des algues ou bien encore par des petits animaux qui altèrent dans une large mesure la qualité initiale d'un cours d'eau, en réduisant la disponibilité en oxygène, ce qui provoque la disparition de certains poissons et plus particulièrement des salmonidés. Il s'agit là du phénomène bien connu d'eutrophisation qui est une conséquence de la dissolution dans l'eau d'éléments fertilisants tels que par exemple l'azote, d'origine organique ou ammoniacale, oxydée en nitrates ou dans une moindre mesure, le phosphore ou la potasse. Cette pollution a, en fait, deux origines, et est liée, d'une part, aux matières fécales rejetées par les poissons, et, d'autre part, à la proportion non négligeable d'aliments non consommés. De manière classique, les Autorités, considérant que la charge polluante est fonction de la teneur en matières en suspension ont pour solution, afin de résoudre ces problèmes, la construction de décanteurs permettant de retenir ces matières. Ce procédé, situé en aval de la pisciculture, ne peut pas donner entière satisfaction. En effet, les matières décantables se réhydratent peu à peu, changent par conséquent de densité, puis sont finalement entraînées par le courant. Afin de les retenir, dans un ouvrage de décantation, il est nécessaire que leur vitesse de sédimentation (Vs) soit supérieure à la vitesse ascensionnelle (Va) de l'effluent dans le décanteur. (Va) est le rapport entre le débit horaire et la surface de l'ouvrage S Va = --- (m2 / m3 / h) Q Compte tenu des débits par obligation toujours importants, ce type d'ouvrage exige une grande surface, qui n'est pas forcément disponible et entraîne par conséquent un prix de construction extrêmement élevé. De plus, il ne permet en aucune manière la diminution de la charge solubilisée, caractéristique essentielle des matières eutrophisantes. En effet, la charge solide (les matières en suspension) est faiblement corrélée à la charge eutrophisante : seule 25 % de l'azote se trouve sous forme particulaire. Les limites de rétention de cette charge par un décanteur est le produit de la fraction de l'azote sous forme particulaire %NP par le coefficient de rétention du décanteur soit lorsque le décanteur capte 25 % des MES, une rétention maximale de x %NP = 6,25 % de l'azote total La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de traitement des eaux piscicoles donnant des résultats nettement supérieurs au procédé par décantation susmentionné tout en pouvant être utilisé simplement par tous les éleveurs. Ce procédé est basé sur une analyse préalable des mécanismes de formation de la charge polluante. On a, en effet, pu démontrer, conformément à l'invention, que, en l'absence de toute agitation, les aliments non consommés par les poissons, notamment les truites, qui se trouvent sous forme de granulés, sédimentent relativement facilement au fond des bassins. Par contre, la force du courant et les turbulences créées par la nage rapide des poissons, notamment lors de leur alimentation, ont pour effet de remettre en suspens ion le sédiment issu du délitage des granulés dans le fond des bassins ; ces produits se trouvent ainsi rapidement en suspension, ce qui permet le passage en solution de l'azote des protéines ou autres matières nutritives se transformant en matière fertilisantes de nature à provoquer l'eutrophisation du cours d'eau en aval de la station. L'influence du délitage des granulés sur la qualité de l'eau a pu être prouvée par différentes expériences permettant de mesurer les variations de la charge polluante. On a ainsi analysé les valeurs et les variations de la quantité de matières en suspension en simulant tout d'abord un fond de bassin sans aucune agitation, puis un fond de bassin brassé en permanence par des courants turbulents. Pour la mise en oeuvre de cette expérience, on a utilisé un pilote de laboratoire permettant la mesure de chaque paramètre et des granulés d'aliments puis on a mesuré la teneur en matières en suspension (MES) par différence de pesée après passage sur un filtre Whatman (GF/C) permettant la rétention de toutes particules de taille supérieure à 1,2 micron, d'abord sans agitation, puis, en agitant constamment le milieu, et ce à intervalle régulier en tenant compte de la chronologie suivante TO = Départ de la réaction, T1 = TO + 1 minute T2 = TO + 2 minutes T3 = TO + 5 minutes T4 = TO + 10 minutes T5 = TO + 30 minutes Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau ci-dessous MES en mg/g d'aliment / 1 d'eau REF. sans agitation avec agitation T1 0,4013 1,1251 T2 1,1883 4,4734 T3 2,274 7,2517 T4 4,268 18,3835 T5 5,9774 42,6048 Ce tableau montre parfaitement l'augmentation des vitesses de délitage avec l'agitation. On a notamment pu observer que, en l'absence d'agitation, les granulés ne sont pas encore totalement délités au temps T5 alors qu'ils le sont en présence d'agitation. L'agitation est sensée recréer les courants turbulents provoqués par la nage des poissons à proximité du fond des bassins. Cette expérience a été complété par des mesures de la turbidité montrant une augmentation très nette de celle-ci après agitation ; cette augmentation est le résultat de la remise en suspension du sédiment. I1 faut noter que, dans tous les cas, seule une fraction du sédiment a été remise en suspension et même dans le cas d'un courant important, le lessivage reste partiel. Pour compléter cette expérience, on a analysé la demande chimique en oxygène (DCO) en prélevant 2 cc sur chacune des manipulations réalisées dans le becher précédent, par mesure par différence optique sur un spectrophotomètre à simple faisceau à la longueur de 620 nanomètres. Ces mesures ont donné les résultats rassemblés dans le tableau suivant Ç Essai sans agitation ll Essai avec agitation REF pds DCO DCO/ pds DCO DCO/ aliment en mg/l g d'aliment aliment en mg/l g d'aliment TO 0 0 0 0 0 0 T1 1,0465 g 0,4 0,38 0,9955 g 5 5,02 T2 1,0772 g 3,2 2,97 1,0596 g 23,8 22,46 T3 1,0994 g 4,4 4,00 1,0563 g 31,6 29,91 T4 1,0778 g 15,2 14,10 1,0727 g 86,4 80,54 T5 1,0707 g 23,6 22,04 1,0304 g 212,8 206,52 Ce tableau montre qu'il existe une forte corrélation entre la DCO et les matières en suspension. (Voir tableau de mesures de délitage). Toutefois, l'augmentation de la concentration de l'effluent reste très relative car, en imaginant lors d'une prise d'aliment de deux tonnes, une perte de 2 % de granulés et un débit de 1 m3/s, on aurait, au bout d'une demi-heure, une DCO/1 d'effluent égale à 4,59 mg d'O2/1. Par ailleurs, des mesures effectuées à différentes profondeurs d'un aquarium pilote contenant 60 litres d'eau, 12 g d'aliment (soit 0,20 g/l d'eau) et dans lequel nageaient 12 truites de masse totale égale à 3 kg, ont permis de constater que les matières en suspens ion ne sont pas également réparties et que les concentrations augmentent très nettement au fur et à mesure que l'on se rapproche du fond de l'aquarium celui-ci était d'ailleurs en permanence recouvert de sédiment que la nage des truites avait du mal à soulever. La distribution des MES dans le courant est, par conséquent, fonction d'un gradient. On a, également, pu constater que la DCO augmente au fur et à mesure que l'on descend vers le fond, ce qui peut sembler naturel étant donné sa dépendance avec la teneur en matières en suspension. Les résultats susmentionnés et l'étude de toutes les courbes de régression sont de nature à prouver que les bassins de pisciculture peuvent posséder une capacité de rétention de la pollution par auto-décantation. Des expériences similaires aux expériences susmentionnées ont également permis de constater une augmentation parallèle de la teneur en azote ammoniacal en nitrites et en nitrates. Toutes les données susmentionnées ont été confirmées par des mesures effectuées directement sur le terrain. Ces expériences prouvent que les matières en suspens ion sont de nature à sédimenter facilement dans les bassins de salmoniculture, mais que le sédiment peut être remis en suspens ion lors de mouvements brusques des poissons. Le courant entraîne alors les particules les plus légères et va les déposer parfois loin dans les zones de tranquillisation de la rivière qui deviennent, par conséquent, sensibles au phénomène d'eutrophisation. Pour remédier à ces inconvénients, on a pensé, conformément à l'invention, à rendre inaccessible aux poissons, notamment aux truites, le fond des bassins où sédimentent les granulés non consommés. A cet effet, l'invention concerne un procédé de traitement des eaux piscicoles et d'abaissement de la pollution générée par la pisciculture et plus particulièrement par l'élevage des salmonidés, notamment des truites dans des bassins constamment alimentés en eaux vives, par suite de la dérivation d'un cours d'eau, caractérisé en ce que l'on met en place au-dessus - du fond ~ des bassins une séparation perméable aux granulés et particules en suspension permettant de protéger un volume inférieur prédéterminé de la proximité des poissons, évitant ainsi, dans une large mesure, toute remise en suspension des matières sédimentées. L'adjonction de telles séparations notamment de grillages s'étendant sur toute la surface des bassins permet de retenir plus de 40 % des matières en suspens ion, correspondant à un pourcentage beaucoup plus important que ce qui est obtenu dans un décanteur. Parallèlement et selon une caractéristique préférentielle de l'invention, on a développé l'idée de traiter biologiquement les sédiments se trouvant dans le volume protégé des bassins, c'est-à-dire à dire au-dessous des grillages pour les métaboliser en eau et en gaz carbonique. A cet effet, l'on ajoute, dans le volume protégé, des bactéries sélectionnées qui doivent convenir pour des eaux froides très oxygénées, et donc être de type strictement aérobie. Pour éviter tout déplacement de celles-ci, et selon une autre caractéristique de l'invention, on les immobilise sur un biofixateur ayant un faible volume et une grande surface de contact. En effet, les aliments non consommés par les poissons et notamment les truites, ainsi que les fèces se retrouvant dans le sédiment sont des sources de nutriments privilégiées pour les bactéries, d'autant plus que les eaux piscicoles sont, par définition, très bien oxygénées. Par conséquent, en faisant agir des bactéries préalablement fixées sur un support suffisamment dense pour que, une fois sur le fond des bassins, il ne soit pas entraîné par le courant, on doit pouvoir réduire la quantité de sédiment suivant les équations Substrat + O (C, H, O, N, P) biomasse + H2O + CO2 + produits de metaboliies dégradation Le solde de cette réaction est constitué essentiellement par les produits intermédiaires de dégradation puisque le coefficient de production de biomasse est par essence très faible et que les métabolites (produits de respiration des bactéries) ne sont en aucun cas polluantes. On peut, par conséquent réécrire l'équation susmentionnée sous la forme suivante Produits intermé- diaires de dégra- = (Substrat + 02) - (Biomasse + H20 + CO2) dation. La quantité d'oxygène disponible étant très importante et le sédiment étant aisément métabolisable, on obtient beaucoup de H20 + C02 et peu de produits intermédiaires de dégradation donc de résidus. Le rendement effectif de la réaction ne peut dépendre de l'épuisement du substrat, puisque, tout comme pour l'oxygène, il est renouvelé en permanence. Des mesures effectuées sur les eaux piscicoles en sortie de bassin suite à leur modification de profil ont permis de confirmer un rendement supérieur à 40 % sur les matières en suspension, de 12 % sur l'azote, le rendement théorique étant supérieur à 10 % et de 40 % sur les matières phosphorées. On se trouve--par-conséquent confrontés a-une production journalière de sédiment relativement importante puisque, avec un débit de 1 m3/s et un taux de captage équivalent à 2 ppm de matières en suspension, on obtient par jour 2 ppm x 1 m3/s x 3 600 s/h x 24 j = 173 kg. Si m est la quantité de substrat digérée par unité de temps et de biomasse, on peut écrire r(m) = mX, X étant la concentration de biomasse et r(m) la vitesse de réaction de maintenance. Or, la vitesse de dégradation du substrat dépend de r(m), mais aussi des vitesses de production de biomasse et métabolites, ce qui fait que le rendement effectif de la dégradation du sédiment peut être modélisé de la façon suivante A - Ao B = S - So A étant la concentration finale de biomasse et de métabolites, Ao la concentration initiale, S la concentration du substrat final et So la concentration initiale. Mis à part l'utilisation d'antibiotiques et de substances chimiques propres à enrayer toute épidémie, le facteur principal affectant le rendement est la température. Pour décrire les relations entre le coefficient de maintenance et la température, on peut utiliser le formalisme d'Arrhénius. L'optimisation du processus étant le passage de S(t) à A(t) on peut écrire Cette équation donne le réglage de la température T(t) de façon à obtenir la concentration Ao désirée au temps t(f). Les équations permettent ainsi de choisir les bactéries et les quantités nécessaires à mettre en oeuvre pour dégrader les matières sédimentées en continu sans provoquer d'amoncellement. REVENDICATIONS 1") Procédé de traitement des eaux piscicoles et d'abaissement de la pollution générée par la pisciculture, et plus particulièrement par l'élevage des salmonidés, notamment des truites dans des bassins constamment alimentés en eaux vives par suite de la dérivation des cours d'eau, procédé caractérisé en ce que l'on met en place au-dessus du fond des bassins une séparation perméable aux granulés et particules en suspension permettant de protéger un volume inférieur prédéterminé de la proximité des poissons. 2") Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation est constituée par un grillage s'étendant sur toute la surface des bassins. 3") Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on ajoute des bactéries dans le volume protégé. 4") Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bactéries sont de type aérobie. 5") Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'on immobilise les bactéries sur un biofixateur. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'on adapte la quantité de bactéries à la quantité de sédiment produit.