L’écumage en aquaculture et en aquariologie

L’écumage, ou fractionnement de mousse (foam fractionation), est un procédé de séparation fondé sur la concentration de composés de l’eau à l’interface air/eau. Très utilisé en aquariologie marine, il trouve également des applications dans les écloseries, les systèmes de recirculation (RAS), les aquariums publics et certains procédés de traitement d’eau en aquaculture. Son intérêt ne se résume pas à l’élimination des « protéines » : il s’agit d’un procédé interfacial dont les performances dépendent de la composition de l’eau, de la surface de bulles disponible et de l’hydrodynamique du contacteur.

AQUACULTURE France est en recherche constante d’innovation sur ce produit qui présente des avantages techniques incomparables.

• Une amélioration de la filtration mécanique
• Un soulagement de la biofiltration de quasiment un tiers de la charge organique
• Une amélioration des échanges gazeurs (dégazage du CO2 et oxygénation)
• La possibilité de stériliser l'eau en ajouter une ozonation pilotée

1. Pourquoi écumer une eau d’élevage ou d’aquarium ?

Dans un système intensif, l’aliment distribué constitue la principale entrée de matière organique. Une partie est transformée en biomasse, une autre est excrétée sous forme dissoute ou particulaire, et une fraction est métabolisée par les microorganismes. Le traitement mécanique retire surtout les particules ; le biofiltre transforme principalement les composés azotés ; le dégazage contrôle notamment le CO₂. L’écumeur intervient sur une autre fraction : des matières organiques dissoutes ou colloïdales présentant une affinité suffisante pour l’interface air/eau.

2. Le principe physico-chimique : créer une grande interface air/eau

Une bulle d’air immergée constitue une interface entre une phase gazeuse et une phase aqueuse. Certaines molécules dissoutes sont amphiphiles : elles comportent des groupes hydrophiles et des parties plus hydrophobes. Leur présence à l’interface réduit localement l’énergie interfaciale et favorise leur adsorption à la surface des bulles.

Lorsque les bulles remontent, elles transportent ainsi une partie des composés adsorbés vers la partie supérieure du contacteur. La réunion de nombreuses bulles produit une phase mousseuse. La mousse peut être stabilisée, concentrée puis évacuée vers un godet ou un dispositif de récupération.

3. Tension superficielle et énergie interfaciale

La tension superficielle γ caractérise l’énergie nécessaire pour augmenter l’aire d’une interface. Elle s’exprime en N/m. Dans l’eau, sa valeur est élevée par rapport à celle de nombreux liquides organiques, en raison des interactions entre molécules d’eau. Les substances tensioactives modifient cette interface et peuvent en conséquence modifier la taille, la stabilité et la coalescence des bulles.

La tension superficielle ne doit toutefois pas être interprétée seule. Dans un écumeur réel, la composition du film interfacial, la viscosité locale, les tensioactifs biologiques, la salinité, la température et la distribution des tailles de bulles interagissent simultanément.

4. Pourquoi les petites bulles sont-elles intéressantes ?

Pour une bulle sphérique de rayon r, la surface et le volume sont respectivement :

S = 4πr²        ;        V = (4/3)πr³        ;        S/V = 3/r

Le rapport surface/volume augmente donc lorsque le rayon diminue. À volume d’air constant, une population de petites bulles offre une surface interfaciale totale beaucoup plus importante qu’un faible nombre de grosses bulles. Cette relation explique l’intérêt du microbullage. Elle ne signifie cependant pas qu’il faut rechercher la plus petite bulle possible : les pertes de charge, la consommation énergétique, la stabilité hydrodynamique, la coalescence et la qualité de la mousse imposent un optimum.

5. Formation, montée et coalescence des bulles

La bulle n’est pas un objet statique. Son diamètre peut évoluer pendant la montée, notamment par coalescence avec d’autres bulles ou par transfert de gaz entre bulles. La vitesse ascensionnelle dépend du diamètre, de la forme, de la viscosité et de la densité du milieu. La présence de matière organique à l’interface peut ralentir la coalescence et modifier la mobilité de l’interface.

Dans un écumeur, l’objectif n’est donc pas simplement de produire des bulles : il faut produire une population de bulles suffisamment fine et stable, maintenir une bonne distribution dans la colonne de contact et favoriser le transport des matières adsorbées vers la zone de collecte.

6. Quels composés sont réellement retirés ?

L’expression « écumeur à protéines » est historiquement pratique mais scientifiquement réductrice. Les composés potentiellement fractionnés comprennent des protéines, peptides, lipides associés à des colloïdes, acides humiques, pigments, certains composés extracellulaires microbiens (EPS) et diverses molécules organiques ayant une affinité pour l’interface. La fraction effectivement retirée dépend de sa chimie et de son état dans l’eau.

7. Carbone organique et matière organique : attention aux définitions

Le carbone organique dissous (COD) ne constitue pas une catégorie homogène du point de vue de l’écumage. Deux eaux présentant la même concentration totale en COD peuvent avoir des comportements très différents si leurs composés présentent des propriétés interfaciales différentes. Une fraction hydrophile et peu tensioactive peut être difficile à extraire par écumage, alors qu’une fraction colloïdale peut être plus facilement concentrée.

Point de vigilance – bureau d’études — Un taux d’extraction ne devrait pas être appliqué à la totalité du COD sans caractériser la fraction écumable. Les bilans de matière doivent distinguer la matière totale, la fraction dissoute et la partie fractionnable.

8. Influence de la salinité

L’eau de mer et l’eau douce ne se comportent pas de manière identique dans un écumeur. La salinité modifie les propriétés du milieu et la stabilité des interfaces. Les eaux marines sont plus favorables à la formation d’une mousse stable, ce qui explique la diffusion de cette technologie en aquariologie marine.

En eau douce, la mousse peut être moins stable. Cela ne signifie pas qu’un écumage est impossible : il peut être efficace si la charge organique et la conception de l'écumeur s’y prêtent. L’avis d'un bureau d’études est indispensable car il permet de porter un avis sur cette question et d’identifier la pertinence de l’investissement.

9. Temps de contact et hydrodynamique

Le temps de séjour hydraulique est un paramètre important mais il ne suffit pas à prédire le rendement. 

Certains fabricants d’écumeurs avancent des rendements exceptionnels car ils considèrent que de forts débits d’eau et d’air sont les garants d’une efficacité optimale. Cette vision est fausse car elle est réduite à des critères strictement mécaniques qui se résument aux puissances électriques des pompes qu’ils vendent.

Il faut donc considérer : le débit d’eau et le débit d’air mais aussi et surtout la hauteur utile, la section du réacteur, la distribution des bulles, les éventuelles zones mortes, la recirculation interne, la vitesse superficielle et la capacité du dispositif à évacuer la mousse.

10. Venturi, diffuseurs et air-lift

Les systèmes venturi utilisent une dépression locale créée par l’accélération de l’eau pour aspirer l’air. Ils peuvent générer un mélange air/eau très fin, mais au prix d’une perte de charge et d’une puissance de pompage à intégrer dans le bilan énergétique.

Les diffuseurs produisent des bulles par nucléation au niveau de pores. Leur comportement dépend du matériau, du diamètre des pores, du débit d’air, de la profondeur et de l’état de surface. Les systèmes air-lift utilisent la différence de densité entre eau et mélange air/eau pour générer la circulation.

11. Écumage et ozone

L’association ozone–écumeur est particulièrement intéressante dans les installations aquariologiques ou les piscicultures marines. L’ozone peut oxyder certaines molécules organiques et modifier leur comportement ; parallèlement, l’écumeur peut servir de contacteur gaz/eau et contribuer à l’évacuation d’une partie des composés oxydés ou des produits de réaction. Cette association nécessite une maîtrise du transfert d’ozone, de la sécurité gaz, de l’ORP et, en eau de mer, des sous-produits bromés.

Point de vigilance — L’ozone ne doit pas être injecté dans un système d’écumage sans analyse du risque de rejet d’ozone résiduel et sans dispositif adapté de dégazage/destruction. Le dimensionnement du contacteur et celui du traitement de gaz doivent être considérés comme un seul système.

12. Écumage et biofiltration MBBR

Le biofiltre MBBR transforme principalement les formes azotées et produit lui-même de la matière organique microbienne, notamment sous forme de biomasse et d’EPS. L’écumeur peut réduire une partie des précurseurs organiques entrant dans le biofiltre et modifier la disponibilité du carbone pour les communautés hétérotrophes. Il est donc préférable de ne pas mettre l’écumeur en service pendant la phase de lancement d’un biofiltre.

Dans un RAS, il faut éviter de considérer chaque équipement isolément. Le retrait de matière organique par écumage peut modifier le fonctionnement du biofiltre, la demande en oxygène et la dynamique de production de boues.

En moyenne, un écumeur bien dimensionné soulage la biofiltration de 25 à 50%.

13. Écumage et filtration mécanique

Un écumeur n’est pas un substitut à une filtration mécanique correctement dimensionnée. Les particules volumineuses doivent être captées avant leur fragmentation et leur solubilisation. Une stratégie efficace associe généralement séparation des solides, fractionnement des matières dissoutes/colloïdales et traitement biologique. En moyenne, un écumeur bien dimensionné soulage la filtration mécanique de 15 à 25%. L’action de l’écumeur est bénéfique car son action mécanique est différente celle d’un filtre particulaire classique.

14. Quand l’écumage devient-il contre-productif ?

Un écumage trop agressif peut extraire des composés utiles ou nécessaires au système, augmenter la consommation énergétique et créer une instabilité de fonctionnement. En aquariologie récifale, la recherche d’une eau extrêmement pauvre en matière organique n’est pas toujours souhaitable. En aquaculture larvaire, la situation dépend encore davantage des organismes élevés et de leur régime alimentaire.

L’écumage est un procédé de séparation interfaciale. Son efficacité repose sur la capacité de certaines molécules à s’adsorber sur une population de bulles, puis à être concentrées dans une mousse évacuable. La surface interfaciale, la distribution des tailles de bulles, la stabilité de l’interface, la composition de l’eau et l’hydrodynamique du contacteur sont indissociables.