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’ École 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) : “Élimination 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 sur-écumage 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.
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.
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.
Si la réaction était la même en eau de mer, la présence du tampon carbonaté réagirait avec H+ et modifierait certainement la réaction qui malgré ce pouvoir tampon de l’eau de mer devrait se traduire par une acidification de l’eau. En réalité, expérimentalement, l’ensemble des réactions ayant lieu au sein de la colonne de soufre s’avèrent au global productrices de gaz carbonique et non consommatrices : 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.
Il est probable d’une part que cette colonne soit le siège d’un ensemble de réactions, certaines étant aérobies en début de colonne pour être progressivement remplacées par des réactions anaérobies au fur et à mesure que l’eau progresse dans la colonne et qu’elle s’appauvrit en oxygène. Dans la zone anaérobie il est probable aussi que la flore présente soit composée d’un ensemble de populations, dont une partie peut d’ailleurs être hétérotrophe au début de cette zone si il reste encore des matières organiques à consommer.
Seule une analyse des espèces présentes pourrait le révéler, et ceci au cas par cas car il est vraisemblable que selon les conditions de fonctionnement du système (taux de nitrate et de matière organique en entrée, débit…) les populations en jeu soient variables en nature et proportions.
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 mélangée 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.
Merci à Marc Langouet pour son excellent article…
