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La biodénitratation
autotrophe sur soufre en aquarium marin
Par Marc Langouet
1) Un biodénitrateur pour quoi
faire ?
Pour bien comprendre comment cette idée est née il faut se replacer
dans le contexte aquariophile du début des années 1990. A cette
époque tous les aquariophiles français étaient confrontés au problème
de l'augmentation constante du taux de nitrate dans leurs aquariums.
La méthode dite berlinoise n'était pratiquement pas connue en France
puisque AQUARAMA n'en a fait état qu’en 1991. La solution la plus
répandue pour éliminer ces nitrates qui rendaient assez vite impossible
la conservation des invertébrés que nous commencions à trouver sur
le marché, était le changement d'eau.
Il pouvait être réalisé soit par le changement massif d'une quantité
importante d'eau, avec le risque d'une perturbation importante du
milieu, soit par la méthode du goutte à goutte très à la mode à
l'époque et objet de très nombreuses publications dans les revues
aquariophiles du début de cette décennie. Pour ma part je changeais
de 30 à 50% de l'eau de mes bacs tous les samedis...
Ces méthodes présentent toutefois un inconvénient majeur ; elles
nécessitent l'utilisation d'une eau dont la concentration en nitrate
soit la plus faible possible, faute de quoi il devient bien entendu
impossible d'obtenir une teneur en nitrate faible dans l'aquarium.
Il faut par ailleurs ajouter qu'à cette époque, l'usage des osmoseurs
était encore très peu répandu dans le monde aquariophile, et que
même aujourd'hui où ils se sont largement répandus en aquariophilie
récifale, il ne faut pas oublier qu'ils n'éliminent pas tous les
nitrates ( quand ils les éliminent !), et que dans certaines régions
la concentration en nitrate de l'eau du robinet étant élevée, la
préparation d'une eau de mer synthétique à partir d'eau osmosée
peut parfois conduire à des taux de nitrate de l'ordre de 5 à 10
mg par litre (NB Toutes les valeurs de taux de nitrate de cet article
sont exprimées en mg / l de nitrate NO3 et non en mg/l de N-NO3).
De plus la méthode du changement d'eau consiste à jeter une quantité
importante d'eau pour éliminer essentiellement un seul ion gênant
: les nitrates. J'ai donc très vite cherché une méthode beaucoup
plus sélective éliminant directement ces ions gênants et me suis
orienté vers les procédés d'éliminations biologiques des nitrates
par respiration nitrate en milieu pauvre en oxygène et transformation
des nitrates en azote gazeux.
À l'époque quelques rares sociétés commercialisaient des systèmes
construits pour réaliser cette biodénitratation de manière hétérotrophe
c'est-à-dire avec apports réguliers d'une source de carbone organique
(en général du glucose ou un dérivé du glucose) destiné à nourrir
les bactéries hétérotrophes anaérobies. Ces bactéries puisent l'oxygène
nécessaire à leur respiration et à l'oxydation du carbone organique
leur servant d'aliment, dans l'ion nitrate, qu'elles réduisent à
l'état d'azote gazeux, et permettent ainsi une élimination des nitrates
du système fermé que constitue l'aquarium.
Cette technique fonctionne très bien mais elle présente deux inconvénients
majeurs : il convient pour entretenir la réaction biologique de
nourrir très régulièrement les bactéries, et de calibrer cet apport
de carbone de façon assez précise. En effet, trop peu de carbone
conduit à une réaction partielle et à la production continuelle
de nitrites, alors que trop de carbone conduit à un milieu trop
réducteur, qui se traduit rapidement par une odeur caractéristique
d’œufs pourris liée à la production de sulfures. Cet apport de carbone
doit bien sûr être dimensionné par rapport au débit de l'eau dans
le réacteur et à la concentration en nitrate de l'eau à traiter,
ce qui complique singulièrement le problème. De plus le système
est relativement peu tolérant par rapport au débit, d'autant plus
que pour pratiquer cette respiration nitrate, les bactéries hétérotrophes
en question doivent être maintenues dans des conditions de teneur
en oxygène dissous assez précise qui font qu'à partir d'un certain
débit d'eau il devient difficile, même par apport important de glucose,
de réaliser la réaction.
Enfin le démarrage de la réaction est assez lent puisqu'il faut
compter de l'ordre de quatre à cinq semaines avant d'être en mesure
de produire une eau sans nitrate et que pendant les trois dernières
semaines du processus il y a production continuelle de nitrites.
Fin 1990, je me suis donc rapproché du professeur Guy Martin spécialiste
du traitement de l'eau à l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie
de Rennes où j'avais terminé mes études d'ingénieur chimiste en
1978. Il avait lui-même mis en œuvre un procédé de biodénitratation
autotrophe sur soufre pour potabiliser de l'eau douce destinée au
réseau d'adduction. Toutefois il ignorait complètement la possibilité
de faire de même en eau de mer et l'incidence d'un tel procédé sur
la faune et la flore d'un aquarium marin.
2) Ma première expérience
Après avoir longuement hésité jusqu'en septembre 1991 je me suis
enfin décidé à faire l'expérience sur un bac de 200 litres contenant
des poissons marins, des algues supérieures de type caulerpes et
des oursins. Pour ce faire j'ai construit un réacteur sous la forme
d'un cylindre de hauteur 40 cm et de diamètre 7, 5 cm que j'ai rempli
de 2 kg de soufre et dans lequel j'ai dirigé une petite partie du
flux sortant d'un filtre EHEIM. Le débit initial était de 10 gouttes/minute
soit 60 ml/h. Deux jours après la mise en eau du système j'ai constaté
que la teneur en nitrite à la sortie de celui-ci était très importante
de l'ordre de 5 mg par litre de N-NO2 (unité de mesure du test TETRA,
soit 16 mg/l de NO2), ce qui n'a eu aucune incidence sur l'aquarium
lui-même compte tenu du très faible débit permettant à la petite
quantité de nitrites produits d'être oxydés en nitrates par la filtration
aérobie de l'aquarium. Le troisième jour les nitrites en sortie
de réacteur sont retombés à 0 et j'ai alors pu mesurer la teneur
en nitrate de l'eau produite qui étaient également de 0 ; il est
à noter que dans le bac la teneur de nitrate était de 37 mg par
litre environ quand l'expérience a démarré. Nitrite et nitrate étant
tombés à 0 j'ai alors pu augmenter graduellement le débit, tout
d'abord à 30 gouttes/mn puis l l/h et enfin jusqu'à 10 l/h, sans
voir réapparaître ni les nitrites ni les nitrates.
En revanche l'eau sortant du réacteur s'est très vite révélée très
acide pour de l'eau de mer puisque le pH était de l'ordre de 6 à
6,5. J'ai donc rajouté une hauteur de 10 cm de maerl en haut de
colonne pour tamponner cette eau, ce qui m'a permis de remonté le
pH de façon significative. Toutefois en raison de l'acidité produite
et les nitrates étant très vite redescendus en deçà dès 10 mg/ l
dans le bac, j'ai décidé de réduire le débit pour éviter de baisser
trop le pH de l'eau du bac. J'ai ensuite travaillé dans une fourchette
de débits se situant entre 1 à 2 litres par heure, que je réglais
en écrasant le tuyau d'entrée du réacteur par une pince de Mohr.
Cette expérience s'est poursuivie de nombreux mois sur ce même bac
qui tourne toujours 9 ans après avec le même réacteur, même si celui-ci
a été arrêté quelques semaines lors d'un déménagement. L'expérience
s'étant révélée positive et sans conséquence négative sur l'ensemble
de la faune et de la flore présente dans l'aquarium testé, j'ai
décidé quelques mois plus tard en 1992 de la mettre en œuvre sur
un bac de 240 l peuplé de coraux mous et durs à longs polypes, puis
ensuite de coraux à polypes courts que nous commencions à trouver
sur le marché à l'époque.
Ce deuxième réacteur que j'ai construit était en tout point identique
au premier à l'exception de la partie destiné à tamponner le pH
de l'eau de sortie qui était constitué alors d'une deuxième colonne
identique à la première et remplie de maerl de façon à obtenir en
sortie un pH pratiquement identique à celui de l'eau entrant dans
le réacteur à soufre.
Différentes expériences ont ensuite été menées jusqu'à fin 1994
sur des aquariums "domestiques" de teneur initiale en nitrate variable,
et aucune conséquence négative n'ayant été constatée, mais bien
au contraire, le système s'étant rapidement révélé comme très efficace
pour maintenir un taux de nitrate faible dans un aquarium même très
nourri, j'ai décidé fin 1994 de le faire connaître pour que chacun
puisse l'utiliser.
Une première expérimentation pilote a été réalisée à l'aquarium
du Musée des Arts Africains et Océaniens à Paris. Cette expérience
positive a incité Michel HIGNETTE conservateur de cet aquarium à
la mettre en œuvre sur l'ensemble du circuit d'eau de mer de 45
000 L où il a baissé en quelques semaines le taux de nitrate de
300 mg/l à environ 10 mg/l.
Lorsque ensuite en mai 1996 j'ai pris la direction technique et
scientifique de l'aquarium de Saint-Malo, j'ai mis en place rapidement
des réacteurs de diamètre 315 mm et de hauteur 2 m. La seule modification
entreprise alors par rapport aux premières expérimentations a été
l'utilisation de soufre en billes de 3 à 5 mm utilisé en œnologie.
En effet les premières expérimentations avaient été faites sur du
soufre en canon cassé au marteau et qui produisait une granulométrie
assez irrégulière conduisant parfois à des colmatages de la colonne.
Quand il s'agissait de remplir une colonne de 150 kg, ce travail
devenait fastidieux.
Ces billes de soufre permettent le passage facile de l'eau sans
colmatage. La colonne de soufre est suivie de une voire de deux
colonnes de maerl de volume et de géométrie identique. Un article
à été publié en commun en 1996 à l'occasion du congrès de l'EUAC
(Union Européenne des Conservateurs d'Aquarium) : "Elimination des
nitrates par filtration biologique autotrophe sur soufre en aquariologie
marine" par Michel Hignette, Benoit Lamort, Marc Langouet, Sébastien
Leroy et Guy Martin.
3) Le biodénitrateur sur le soufre : pour quoi faire aujourd'hui
?
Aujourd'hui en aquariologie récifale deux méthodes principales se
sont développées : la méthode dite berlinoise probablement la plus
répandue, en tout cas en Europe, et la méthode Jaubert qui favorise
la réduction des nitrates en azote par processus anaérobie hétérotrophe
dans le bac même, dans une couche de sable épaisse disposée sur
un plénum.
Ces deux méthodes donnent toutes deux d'excellents résultats, toutefois
il arrive couramment au moins de façon ponctuelle que des personnes
les utilisant soient confrontées pour une raison ou pour une autre
à une montée de nitrates au delà du souhaitable ( due par exemple
à un sous écumage, voire un surécumage dans le cas de la méthode
berlinoise) : dans ce cas la biodénitratation autotrophe sur soufre
appliquée de façon ponctuelle ou continue permet de retrouver un
taux de nitrate approprié.
Par ailleurs, il ne faut pas oublier que l'aquariophilie récifale
même si elle est très orientée vers les coraux photosynthétiques,
a encore de très nombreux progrès à faire en ce qui concerne les
coraux non photosynthétiques. Ces coraux ont besoin d'être nourri
abondamment et en général peu éclairés ce qui rend souvent inapplicable
les deux méthodes précédentes sans un complément technique pour
traiter spécifiquement le problème des nitrates.
Pour finir il ne faut pas oublier que l'aquariophilie marine ne
se réduit pas à la seule aquariophilie récifale mais que l'on peut
être intéressé par la réalisation de bacs pour les poissons seuls,
ou en tout cas fortement chargés en poissons avec présence de quelques
invertébrés qui en règle générale supporte eux très mal les teneurs
en nitrate élevées. Enfin je ne voudrais pas oublier non plus ici
les heureux possesseurs de grands bacs de plusieurs milliers de
litres et les aquariums publics où la méthode berlinoise est peu
développée en raison des difficultés qu'elle présente à la mise
en œuvre sur des grands volumes.
4) Biochimie de la dénitratation autotrophe sur soufre.
Des bactéries anaérobies facultatives telles que Thiobacillus
denitrificans ont la faculté quand elles sont privées d'oxygène
dissout (milieu hypoxique c'est à dire à faible teneur en oxygène)
de prendre pour respirer les atomes d’oxygène présents dans l'ion
nitrate (ou nitrite d'ailleurs ) et de les transférer sur le soufre
S ou ses dérivés (S- , H2S,...) pour les oxyder en sulfates ; c'est
ce que l'on appelle la respiration nitrate.
La stœchiométrie de la réaction n'a à ma connaissance jamais été
étudiée en eau de mer où la méthode n'avait pas été expérimentée
auparavant, bien que des travaux très récents semblent montrer que
le processus ait été observé dans le milieu marin. En revanche en
eau douce et sur le soufre ou elle a été étudiée, la stœchiométrie
suivante a été proposée :
11 S + 10 NO3- + 4.1 HCO3- + 0.5 CO2 + 1.71 NH4+ + 2.5 H2O --->
0.92 C5H7NO2 +
11 SO4-- + 5.4 N2 + 9.62 H+
Il faut bien noter pour ceux qui ne sont pas familiers de ces réactions
biochimiques et non chimiques, que ce sont des équations approchées
; C5H7NO2 y représente la biomasse. Le soufre sert à la fois "d'aliment"
( il apporte l’énergie ) et comme il est non soluble dans l'eau,
il est en même temps support de colonisation pour les bactéries
: tout l'intérêt de cette méthode est que les bactéries disposent
en permanence d’une source d'énergie sans avoir à nourrir le système,
ni d'ailleurs à avoir à ajouter quoi que ce soit. Le soufre est
consommé très lentement mais il faut de très nombreux mois pour
s'en rendre compte
En eau de mer, la présence du tampon carbonaté réagit avec H+ et
modifie certainement la réaction qui, au global, s'avère
expérimentalement productrice de gaz carbonique et non consommatrice
: en effet le dégazage de l'eau acide produite à ce stade conduit
à un pH sensiblement égal à celui de l'eau de mer avant réaction.
5) La mise en œuvre de la méthode de biodénitratation autotrophe
sur soufre
a) Le réacteur
Pour une eau à traiter dont le taux de nitrate est inférieur à 50
mg par litre, on peut retenir comme règle générale que le volume
du réacteur à soufre exprimé en litre doit être égal à environ 1%
du volume du bac. Pourquoi exprimer ce dimensionnement en volume
et non pas en masse ? Tout simplement parce que lorsque l'on doit
construire un réacteur c'est bien entendu sa géométrie qui gouverne
à la construction et non pas la masse de soufre.
Toutefois on peut indiquer que le soufre en billes de diamètre moyen
3 à 5 mm a une densité de l'ordre de 1,15 qui permet d’estimer la
quantité de soufre à acheter. Bien évidemment une autre granulométrie
conduira à une autre densité. À ce sujet je vous déconseille vivement
l'utilisation de soufre en fleur (c'est-à-dire en poudre) compte
tenu de sa très grande propension à se colmater.
Dans les premiers centimètres de la colonne de soufre l'eau commence
par se décharger de son oxygène, en effet les bactéries anaérobies
facultatives commencent par respirer l'oxygène dissout, ce qui est
moins consommateur d'énergie pour elles que la respiration nitrate
: comme c'est cette deuxième respiration qui nous intéresse pour
éliminer les nitrates, il convient donc de réaliser une colonne
suffisamment longue pour que le parcours de l'eau en zone anaérobie
soit suffisant.
D'autre part une colonne trop large par rapport à sa hauteur facilite
l'instauration de chemins préférentiels de l'eau à travers le soufre,
l'eau ayant bien entendu tendance à utiliser le plus court chemin
pour aller vers la sortie du réacteur. Dans le cas de chemins préférentiels
une partie de la colonne peut être le siège de réactions parasites
liées à l'absence totale d'oxygène. Même si la réaction biologique
recherchée est assez tolérante par rapport à la teneur en oxygène
dissout, il n'en reste pas moins que trop élevée cette teneur n'autorise
pas la respiration nitrate et que trop faible elle permet l'installation
d'autres souches bactériennes que celles recherchées, ce qui peut
conduire à la création de zones très réductrices susceptibles dans
certains cas particuliers de produire des sulfures à odeur caractéristique.
Pour éviter cela il suffit que l'ensemble de la colonne de soufre
soit baignée par un débit d'eau homogène et le plus régulier possible
: ceci est obtenu aisément en utilisant une colonne de hauteur au
moins cinq fois supérieure au diamètre, et en faisant circuler l'eau
verticalement de bas en haut. Dans les phases initiales de fonctionnement
d'un réacteur alimenté par une eau assez chargée en nitrate, la
production d'azote gazeux peut dépasser la solubilité de l'azote
dans l'eau. Dans ce cas il y aura dégagement d'azote à l'intérieur
même du réacteur. Ce dégagement compte tenu des faibles débits d'eau
dans ce réacteur et des nombreux obstacles que constituent les billes
de soufre risque de se trouver piégé à l'intérieur si le flux d'eau
ne l'aide pas à sortir. La meilleure solution est donc d'avoir un
flux d'eau vertical de bas en haut puisque bien entendu la tendance
naturelle du gaz est de monter.
Un tel réacteur dimensionné à 1% en soufre du volume du bac sera
très difficile à démarrer, voire impossible à démarrer si le taux
de nitrate de l'eau à traiter est supérieur à 50 mg par litre. Dans
ce cas il faudra choisir entre la construction d'un réacteur de
volume plus important (par exemple 2 % en soufre si le taux de nitrate
est compris entre 50 et 100 mg/litre) mais qui ensuite s'avérera
probablement trop grand une fois que l'on sera repassé sous la barre
des 50 mg/l, ou bien il faudra préalablement redescendre le taux
de nitrate en deçà de 50 mg/l par un changement d'eau important.
En effet il est toujours possible de travailler à 100 mg/l avec
un volume de 1%, mais il conviendra alors de réduire considérablement
le débit de passage de l'eau, ce qui rendra impossible, dans un
aquarium où l'on continuera à nourrir et dont à charger en nitrate,
de parvenir à faire baisser le taux de nitrate de façon significative.
b) Les colonnes de substrat calcaire
Pour éviter la production d'une eau trop acide je vous recommande
en sortie de réacteur à soufre de faire passer l'eau dans un second
puis de préférence un troisième réacteur identique au premier, tant
en géométrie, qu'en ce qui concerne le sens de passage de l'eau,
mais rempli de substrat calcaire : le volume du substrat calcaire
qui remplira ces réacteurs sera donc égal à une ou plutôt à deux
fois celui du soufre.
Dans toutes les expériences que j'ai conduites personnellement le
substrat calcaire utilisé a été du maerl. Certains ont depuis utilisé
également d'autres substrats : l'essentiel est d'avoir une granulométrie
suffisamment fine pour avoir une surface d'échange suffisante, sans
toutefois atteindre une trop grande finesse qui sera inévitablement
source de colmatage. Il ne faut pas oublier que l'acidité relativement
importante de l'eau produite par le réacteur à soufre conduira tôt
ou tard à la réduction de ce substrat calcaire en fines particules,
puis en bouillie dans laquelle l'eau ne pourrait plus passer ; pour
cette raison ma préférence va à une granulométrie variant de 1 à
5 millimètres. Il est bien sûr indispensable d'utiliser comme dans
tout réacteur à calcaire (puisqu'il s'agit bien de cela) un substrat
n'entraînant pas la formation excessive d'ions gênants lors de sa
dissolution ; je pense bien entendu aux phosphates mais aussi aux
métaux lourds.
c) Le débit
Pendant la phase initiale de démarrage du processus biologique le
débit doit être réglé le plus bas possible et en tout état de cause
ne doit jamais excéder une goutte par seconde et par fraction de
2 L de soufre (autrement dit 2 gouttes par seconde reste acceptable
pour un réacteur de 4 L de soufre).
Ce point est particulièrement important et semble avoir été assez
mal compris de beaucoup lorsque j'ai commencé à communiquer sur
cette méthode. En effet il y a production rapide de nitrites pendant
la phase de démarrage, c'est-à-dire généralement dans les trois
premiers jours après la mise en circulation de l'eau dans le système.
Si le débit est suffisamment faible tel que préconisé précédemment,
cette petite production de nitrites n'a aucune incidence sur le
bac, mais cette assertion n'est bien sûr plus vraie si l'on travaille
à des débits forts.
Par ailleurs dans la phase initiale d'installation des bactéries
anaérobies, il est particulièrement important de faire en sorte
que la plus grande partie du volume du réacteur à soufre soit en
phase la plus possible hypoxique pour que les bactéries recherchées
s'installent au plus vite ; pour cela un débit très faible est également
favorable.
Une fois la flore bactérienne bien établie on constate que l'eau
qui sort du réacteur voit brutalement son taux de nitrites baisser
en général en quelques heures. Si les conditions préconisées ci-dessus
sont respectées cela se produit en général entre le 3e et le 5e
jour après le démarrage, et c'est seulement à ce moment là que l'on
peut augmenter graduellement, en quelques jours, le débit jusqu'à
la vitesse de croisière que l'on peut estimer pour démarrer à 1
l par heure et par litre de soufre. Si je donne une valeur de débit
pour démarrer et non une valeur définitive c'est tout simplement
que chaque aquarium est différent et que selon le taux de nitrate
précis au départ, l'apport quotidien de nourriture, la propre capacité
du bac à réduire les nitrates en azote, il ne peut être question
de donner une valeur précise au paramètre débit ; en revanche cette
valeur indicative de départ suivi de quelques mesures de taux de
nitrate dans les semaines et mois qui suivent permettront en fonction
des paramètres propres au bac de déterminer un débit de croisière.
Il est à noter que si l’on augmente trop vite le débit par rapport
au taux de nitrate et au volume de soufre on peut voir des nitrites
et des nitrates réapparaître en sortie de réacteur suite à une réaction
incomplète. Par contre il est rare de produire des sulfures (caractérisés
par une odeur proche des œufs pourris) ; ceci ne se produit que
dans le cas de débit excessivement faible dans le réacteur (à la
limite de l'arrêt, par exemple par colmatage) ou dans le cas de
chemins préférentiels conduisant à la non irrigation d'une partie
du réacteur et à la réalisation d’un milieu anoxique (c'est à dire
privé totalement d'oxygène) ; la production de sulfures est sans
conséquence dans la mesure où ils sont toujours liés à un débit
très faible et donc que leur quantité négligeable est réoxydée en
sulfate dans le bac.
Leur présence est d'autant plus rare que Thiobacillus denitrificans
en condition anaérobie est elle-même capable d’oxyder les sulfures
en sulfate au même titre que le soufre. En revanche lors d'un décolmatage
on ne laisse pas le temps aux bactéries de faire cette transformation
et des sulfures peuvent sortir en faible quantité du réacteur.
d) Comment régler le débit ?
Pour alimenter le réacteur, l'eau peut être prélevée directement
par une pompe à l'intérieur de l'aquarium, ou par réalisation d'une
dérivation sur un circuit eau déjà existant. Il ne faut pas oublier
qu'une telle colonne de soufre suivie de une, voire deux colonnes
de substrat calcaire, représente quand même une perte de charge
non négligeable, surtout après quelques mois de fonctionnement,
car la biomasse peut venir colmater en partie la colonne de soufre
et surtout les colonnes de calcaire où le substrat attaqué produira
de fines particules comme expliqué précédemment ; pour cette raison
il est souhaitable que l'alimentation en eau du système permette
de temps en temps, lorsque le débit semble baisser, d'envoyer pendant
quelques instants de l'eau sous pression pour décolmater éventuellement
le système.
On peut considérer grosso modo qu'une pompe de débit horaire égal
à 100 fois à 200 fois le volume de soufre doit permettre cette opération
(200 à 400 l/h pour une colonne de 2 litres de soufre) même si bien
entendu ce n'est pas le débit de la pompe qui compte mais sa faculté
à envoyer l'eau sous pression.
En fonctionnement quotidien le faible débit requis peut être obtenu
de préférence en écrasant le tuyau d'entrée du réacteur avec un
dispositif type pince de Mohr (étrier EHEIM par exemple), au moins
pour les petites installations nécessitant de très faibles débits.
Il vaut mieux écraser le tuyau en entrée qu’en sortie pour faciliter
la sortie éventuelle de gaz.
Bien que je n'aie jamais utilisé personnellement cette solution
technique, il me semble que les pompes péristaltiques, bien que
plus onéreuses, permettraient également d'assurer cette fonction.
e) La décroissance des nitrates dans le bac
Une fois la réaction démarrée le taux de nitrate va baisser assez
vite dans l'aquarium ; toutefois la décroissance ne sera pas linéaire
mais de type exponentiel puisqu’en permanence l'eau exempte de nitrate
issue du réacteur sera remélangée avec l'eau du bac.
D'autre part l'alimentation des animaux continuera à produire des
nitrates qui s'opposeront à la baisse du taux de nitrate dans le
bac. Il est donc très difficile de pouvoir calculer en combien de
temps le bac aura retrouvé un taux de nitrate acceptable ; en général
ceci intervient en quelques semaines à l'issue desquelles il est
conseillé de redescendre le débit du réacteur de façon à entretenir
tout juste le taux de nitrate visé.
Il ne faut pas oublier que le système est producteur de calcium
par dissolution du substrat calcaire et que le fait de laisser fonctionner
le réacteur à des débits assez élevés peut conduire à des taux de
calcium dans le bac très importants au cours du temps : il a parfois
été observé des taux de calcium supérieurs à deux fois la dose naturelle
de l'eau de mer et même si personnellement je n'ai jamais enregistré
de conséquence néfaste de tels taux, certains ont noté au-dessus
de 800 mg par litre de calcium des précipitations calciques dans
l'aquarium.
Les bactéries en jeu sont capables de travailler en présence d’une
très faible teneur en nitrate et donc de réduire le taux de nitrate
dans le bac à des valeurs indétectables (inférieures à 0.5 mg /l
) par les tests utilisés en aquariophilie.
f) Les sulfates
On a vu que Thiobacillus denitrificans était capable d'oxyder
tous les dérivés du soufre ( S, S-, H2S...) en sulfates. La question
qui se pose donc immédiatement est le devenir de ces sulfates dans
un bac en circuit fermé.
Il faut tout d'abord noter que la concentration en sulfate de l'eau
de mer est de 2,65 g par litre (900 mg/litre environ exprimés en
soufre dans les sulfates). Même si la réduction d'un ion nitrate
en azote produit 1,1 ions sulfate, il faut donc avoir transformé
une quantité importante de nitrate pour commencer à augmenter de
façon très significative le taux de sulfate dans l'aquarium.
De plus, Michel HIGNETTE conservateur de l'aquarium du Musée des
Arts Africains et Océaniens à Paris a constaté lors d’études récentes
que les sulfates étaient piégés par les colonnes de calcaire destinées
à tamponner l'acidité de l'eau et que le taux de sulfate sur un
bac en fonctionnement dans les conditions préconisées restait donc
pratiquement stable sur une longue période. Le substrat calcaire,
qui petit à petit se réduit en boue par attaque acide, devant être
remplacé après un certain temps d’utilisation (malgré tout assez
long), les sulfates produits se trouvent ainsi éliminés.
g) Le KH et le pH
Sur un aquarium où le système est utilisé à un débit faible juste
pour éviter la montée des nitrates, on constate une stabilité du
KH et du pH sur des longues périodes (plusieurs mois voire années)
sans changement d'eau. En revanche lorsque l'on travaille à débit
élevé par exemple dans le but de faire baisser rapidement la teneur
en nitrate d'un aquarium où elle est trop élevée, il est nécessaire
de surveiller le KH et le pH qui peuvent montrer une tendance à
la baisse particulièrement le KH si l'on a sous dimensionné les
colonnes de substrat calcaire.
La mesure du pH en sortie de colonne calcaire permet bien entendu
lorsqu'il est bas d'anticiper la survenance de la baisse du pH et
du KH du bac. Il est à noter qu'un dégazage énergique par aération
de l'eau sortant du réacteur à soufre permet de faire remonter son
pH au niveau de celui du bac, montrant ainsi que l'acidité de cette
eau est due, en tout cas pour l'essentiel, à la présence de gaz
carbonique dissout.
h) L'influence des traitements
La réduction des nitrates par cette voie
étant liée à l'activité biochimique de bactéries, il est bien entendu
prudent de ne pas perturber cette activité par l'ajout dans le bac
de substances bactériostatiques ou bactéricides telles qu’antibiotiques.
En cas d’arrêt de la réaction lié à leur emploi, il est conseillé
de réensemencer le réacteur avec une petite quantité de soufre "neuf"
et de reprendre la procédure de démarrage comme lors de la première
fois.
En revanche je n'ai jamais noté de conséquences sur le fonctionnement
du réacteur lié à l'utilisation du sulfate de cuivre.
i) L’arrêt du réacteur
En cas de besoin, on peut arrêter le réacteur et le remettre en
marche assez aisément à condition de maintenir une population suffisante
de bactéries en vie. La meilleure solution est de vider le réacteur
de son eau et de le fermer pour éviter au soufre de sécher ; dans
ce cas la remise en route s’effectue en général très rapidement.
Pour plus de sécurité il convient toutefois de surveiller les nitrites
en sortie de réacteur et de limiter le débit s’ils réapparaissent,
comme lors du premier démarrage.
Si l'on a maintenu le réacteur en eau, arrêté pendant un délai assez
long, il convient, soit de jeter l’eau contenue dans celui-ci et
de procéder ensuite au redémarrage comme décrit plus haut, ou bien
alors d’envoyer cette eau dans le bac à très faible débit si l'on
ne peut pas faire autrement. En effet l’eau ayant stagné dans le
réacteur en milieu très réducteur risque de contenir une quantité
importante de sulfure.
6) L’utilisation en tant que réacteur à calcaire
Plus récemment certains utilisateurs ont souhaité utiliser ce type
de réacteurs à soufre pour leur seule faculté de produire du CO2
et en faire des réacteurs à calcaire. La dénitratation autotrophe
sur soufre est en effet capable de fonctionner même en présence
de très faibles taux de nitrate non détectable par les méthodes
de mesure disponibles en aquariophilie (typiquement inférieurs à
0.5 mg/l) et avec des taux d’oxygène assez élevés contrairement
à la dénitratation hétérotrophe. On peut donc à débit assez élevé
( parfois supérieur à 5 l/h par litre de soufre ) produire une eau
acide même une fois le taux de nitrate du bac indétectable ; cette
eau envoyée sur un substrat calcaire permet très facilement d’obtenir
une production importante de calcium mais plus difficilement semble
t’il de faire monter le KH.
Il est d’ailleurs probable que dans ces domaines de réglages une
grande partie de la colonne de soufre travaille en phase aérobie
et que les réactions ne soient plus les mêmes. Cette utilisation
peut être intéressante mais je ne l’ai pas étudiée spécifiquement.
Marc LANGOUET
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restent la propriété des auteurs
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