L'aquaculture commerciale nécessite un transfert continu d'oxygène, car les poissons et les crevettes consomment de l'oxygène dissous, tandis que la filtration biologique, la décomposition organique et d'autres processus consomment également de l'oxygène. La demande en oxygène change en fonction de la biomasse, de la densité de peuplement, de la température de l'eau, de l'activité alimentaire et des conditions nocturnes. UNSystème d'oxygène PSArépond à cette exigence en séparant l'oxygène de l'air comprimé et en fournissant du gaz enrichi en oxygène aux étangs, aux réservoirs, aux cônes d'oxygène ou aux systèmes d'aquaculture à recirculation.
PSA oxygèneLa génération utilise des récipients d'adsorption remplis de tamis moléculaire. Un compresseur fournit de l'air filtré et séché aux lits d'adsorption, où le tamis moléculaire adsorbe préférentiellement l'azote. Le gaz riche en oxygène passe vers un récepteur d’oxygène puis entre dans le système d’oxygénation côté eau. Les lits d'adsorption alternent entre pressurisation et régénération pour maintenir la production de gaz.
La production d'oxygène sur site modifie la structure d'approvisionnement
Une ferme commerciale utilisant des bouteilles d’oxygène ou de l’oxygène liquide dépend d’une chaîne d’approvisionnement externe : production de gaz, transport, stockage et livraison à la ferme. Une installation PSA déplace le processus de génération d’oxygène sur la ferme.
Le processus de base est le suivant :
Air ambiant → compresseur → traitement de l'air → adsorption PSA → récepteur d'oxygène → distribution d'oxygène → oxygénation de l'eau
Le système nécessite donc plus qu’une unité d’adsorption. Le compresseur doit fournir le débit d'air d'alimentation requis, les filtres et les sécheurs doivent éliminer les contaminants et l'humidité, et le récepteur d'oxygène doit tamponner le gaz avant qu'il n'atteigne le réseau de distribution.
Pour les fermes opérant dans des zones reculées ou nécessitant un approvisionnement continu en oxygène, le calcul de l'approvisionnement doit inclure la consommation d'électricité, la maintenance, les pièces de rechange et le coût du transport de l'oxygène fourni de l'extérieur.
Une concentration plus élevée en oxygène réduit le volume de gaz requis pour le transfert d'oxygène
L'air atmosphérique contient environ 21 % d'oxygène. Les équipements d'aération conventionnels doivent déplacer un grand volume d'air dans l'eau pour transférer la quantité d'oxygène requise.
Un générateur PSA sépare l'azote de l'air comprimé et produit un gaz enrichi en oxygène. Les configurations d'aquaculture publiées par NEWTEK incluent des plages de pureté de l'oxygène d'environ 90 % à 99,5 %, selon la configuration, avec des normesPSA oxygènesystèmes communément spécifiés autour de 93% ± 3%.
La concentration plus élevée en oxygène modifie le processus de transfert côté eau. Au lieu de transférer l’oxygène d’une grande quantité d’air atmosphérique, le diffuseur ou cône d’oxygène reçoit un flux gazeux avec une concentration en oxygène plus élevée.
Le transfert effectif dépend :
- Débit de gaz
- Profondeur de l'eau
- Diamètre des bulles
- Température de l'eau
- Temps de contact
- Pression de service
- Structure diffuseur ou cône d'oxygène
Par conséquent, la production de PSA doit être évaluée avec l’équipement de transfert d’oxygène plutôt que comme une spécification de gaz isolé.
PSA Oxygen peut alimenter des systèmes d’aquaculture à haute densité
À mesure que la densité de peuplement augmente, les besoins en oxygène par unité de volume d’eau deviennent également un paramètre de conception critique. Les poissons et les crevettes consomment continuellement de l'oxygène, tandis que la disponibilité en oxygène peut diminuer rapidement lorsque la capacité d'aération ne correspond pas à la demande biologique.
Un système PSA peut alimenter en oxygène :
- Étangs à poissons intensifs
- Étangs à crevettes
- Réservoirs de couvoir
- Systèmes d'aquaculture à recirculation
- Cuves de culture intérieure
- Bassins de rétention de poissons vivants
Dans une installation RAS par exemple, l'eau passe par une filtration mécanique et un traitement biologique avant de retourner dans le bac de culture. L'oxygène peut être injecté en aval à travers un cône ou un diffuseur d'oxygène avant que l'eau traitée ne retourne dans les aquariums.
Le générateur d’oxygène s’intègre ainsi dans la boucle de traitement de l’eau :
Cuve de culture → filtration → traitement biologique → oxygénation → cuve de culture
La production d’oxygène peut être adaptée à la demande agricole réelle
La capacité PSA doit être calculée à partir de la demande en oxygène plutôt que de la seule superficie de l'étang.
Les principales entrées comprennent :
| Paramètre de conception | Fonction d'ingénierie |
|---|---|
| Biomasse | Détermine la consommation biologique d'oxygène |
| Densité de peuplement | Détermine la demande en oxygène par unité de volume d'eau |
| Température de l'eau | Modifie la solubilité de l'oxygène et la demande métabolique |
| Cible à faire | Définit la condition requise en oxygène dissous |
| Demande de pointe | Détermine la capacité maximale du générateur |
| Efficacité du transfert d'oxygène | Détermine la quantité d'oxygène généré qui pénètre dans l'eau |
| Heures d'ouverture | Détermine la production quotidienne d'oxygène |
| Biomasse du futur | Détermine les besoins d’expansion |
Par exemple, si une ferme nécessite 30 Nm³/h d'oxygène entrant dans l'eau mais que le système de transfert d'oxygène ne transfère que 75 % de l'oxygène fourni, le générateur doit fournir plus de 30 Nm³/h.
Une relation de conception simplifiée est :
Production d'oxygène requise=transfert d'oxygène requis ÷ efficacité du transfert
Le calcul doit utiliser les performances de transfert mesurées ou spécifiées par le fournisseur plutôt que de supposer que tout l'oxygène sortant du générateur PSA pénètre dans l'eau.
Les capteurs d’oxygène dissous peuvent contrôler l’approvisionnement en oxygène
PSA oxygènela production devient plus utile lorsqu’elle est connectée à la surveillance de l’oxygène dissous.
Un capteur d'oxygène dissous mesure le niveau réel d'OD dans l'eau de culture. Le signal peut entrer dans un automate qui contrôle une vanne d'oxygène, le débit d'oxygène ou une capacité PSA supplémentaire en fonction de limites de fonctionnement prédéfinies.
La boucle de contrôle peut être structurée comme suit :
Capteur DO → PLC → contrôle du débit d'oxygène → diffuseur/cône d'oxygène → eau de culture
Lorsque l'OD diminue en dessous de la plage configurée, le système de contrôle peut augmenter l'apport d'oxygène. Lorsque l'OD revient à la plage requise, le système peut réduire le débit d'oxygène.
Les systèmes PSA de NEWTEK comprennent des capteurs d'oxygène, des capteurs de pression, un contrôle automatique et des interfaces de communication industrielle telles que Modbus, Profibus et Ethernet.
Cette disposition permet au système d'oxygène de répondre à des conditions d'eau mesurables au lieu de faire fonctionner le générateur à puissance maximale tout au long du cycle de production.
Le stockage tampon d’oxygène sépare la production des fluctuations de la demande
Le cycle d’adsorption du PSA et la demande en oxygène de l’exploitation n’évoluent pas nécessairement au même rythme. Un réservoir tampon permet de séparer ces deux conditions de fonctionnement.
Le générateur PSA remplit le récepteur d'oxygène, tandis que le système d'oxygénation en aval aspire le gaz en fonction de la demande du côté de l'eau. Le récepteur absorbe donc les différences à court terme entre la production et la consommation d'oxygène.
Le volume du réservoir requis dépend de :
- Production d'oxygène PSA
- Demande en oxygène
- Pression de service
- Débit de pointe
- Plage de pression
- Temps de réserve requis
Un récepteur sous-dimensionné peut provoquer des changements rapides de pression lorsque plusieurs réservoirs de culture demandent simultanément de l’oxygène. Un récepteur surdimensionné augmente le volume de l'équipement et le coût en capital sans augmenter la capacité de génération d'oxygène.
L'oxygène PSA peut fonctionner avec une aération mécanique
L'oxygène PSA ne remplace pas nécessairement les aérateurs mécaniques.
Les aérateurs mécaniques déplacent l'eau et l'air atmosphérique, tandis que les équipements PSA fournissent du gaz enrichi en oxygène. Les deux systèmes peuvent remplir des fonctions différentes au sein du même bassin ou réservoir.
Un arrangement combiné peut utiliser :
Aérateur mécanique → circulation d'eau
Oxygène PSA → apport d'oxygène concentré
Capteur DO → signal de commande
Cette configuration permet à l'équipement mécanique de maintenir le mouvement de l'eau tandis que le système PSA fournit de l'oxygène supplémentaire lorsque la demande biologique dépasse l'apport en oxygène de l'aération normale.
La disposition appropriée dépend de la profondeur de l'étang, du modèle de circulation de l'eau, de la biomasse, de l'emplacement du diffuseur et de l'OD requis.
L'oxygène PSA prend en charge l'oxygénation RAS
Les installations RAS font circuler l’eau en continu par filtration et traitement biologique. Les bactéries nitrifiantes présentes dans les biofiltres consomment de l'oxygène tout en convertissant l'ammoniac et les nitrites, de sorte que la demande en oxygène existe en dehors des aquariums eux-mêmes.
Un processus typique d’oxygénation RAS peut inclure :
- L'eau de culture quitte le réservoir.
- La filtration mécanique élimine les matières en suspension.
- La biofiltration convertit les composés azotés.
- L'oxygène est injecté à travers un diffuseur ou un cône d'oxygène.
- L'eau oxygénée retourne dans les cuves de culture.
Le générateur de PSA doit donc fournir suffisamment d’oxygène pour la consommation d’oxygène biologique et aquatique.
Le point d'injection d'oxygène doit être sélectionné en fonction de la pression de l'eau, du débit, du temps de contact et de l'équipement de transfert d'oxygène. La simple augmentation de la production de gaz PSA ne garantit pas une augmentation proportionnelle de l'oxygène dissous si le dispositif de transfert côté eau a atteint sa limite de transfert.
La surveillance automatique peut identifier les pannes du système d'oxygène
Un système d’oxygène pour l’aquaculture commerciale doit surveiller les conditions côté gaz et côté eau.
| Paramètre | Ce que cela indique |
|---|---|
| Oxygène dissous | État actuel de l'oxygène dans l'eau de culture |
| Pureté de l'oxygène | Condition de séparation du PSA |
| Flux d'oxygène | Livraison de gaz à l'eau |
| Pression PSA | État de fonctionnement du système d'adsorption |
| Pression du compresseur | Disponibilité de l'air d'alimentation |
| Température de l'eau | Modifications de la solubilité de l'oxygène et de la demande biologique |
| État de l'alarme | Anomalie de l’équipement ou du capteur |
Par exemple, une baisse de la pureté de l'oxygène peut indiquer une contamination du tamis moléculaire, des problèmes de commutation des vannes, une demande excessive ou des problèmes d'alimentation en air. Une baisse de la pression d'oxygène peut indiquer une limitation de la capacité du compresseur, un blocage du filtre, des problèmes de vanne ou un débit excessif en aval.
Le système de contrôle doit utiliser ces signaux pour générer des alarmes et isoler les équipements anormaux plutôt que de se fier uniquement à une inspection manuelle.
PSA Oxygène et Aération Conventionnelle : Différence structurelle
L'aération conventionnelle introduit l'air atmosphérique directement dans l'eau. L'apport d'oxygène est donc limité par la concentration en oxygène dans l'air atmosphérique et par l'efficacité de transfert de l'aérateur.
L'oxygène PSA sépare l'oxygène de l'air avant que le gaz n'entre dans le système côté eau.
| Facteur | Aération conventionnelle | Système d'oxygène PSA |
|---|---|---|
| Gaz fourni | Air atmosphérique | Gaz enrichi en oxygène |
| Équipement de séparation principal | Aucun | Récipients d'adsorption à tamis moléculaire |
| Alimentation en air | Souffleur/aérateur | Compresseur d'air |
| Contrôle de l'oxygène | Fonctionnement du débit d’air et de l’aérateur | Contrôle du débit, de la pureté et de l'OD d'oxygène |
| Équipement au bord de l'eau | Roue à aubes, soufflerie ou diffuseur | Diffuseur d'oxygène, cône d'oxygène ou équipement similaire |
| Entretien principal | Aérateur, moteur, roulements, diffuseur | Compresseur, filtres, vannes, analyseur, tamis moléculaire |
| Intégration du système | Mélange direct air-eau | PSA + récepteur + distribution d'oxygène + oxygénation de l'eau |
Pour l’aquaculture à haute densité, l’oxygène PSA peut compléter l’aération mécanique lorsque les besoins en oxygène dépassent ce que l’aération de l’air atmosphérique peut transférer. La configuration appropriée dépend de la biomasse, du volume d'eau, de la température, de l'objectif d'OD, de l'efficacité du transfert d'oxygène et du programme de fonctionnement.
À propos de NEWTEK
NEWTEKse développe sur placePSA oxygèneet les systèmes de génération d’azote. Son procédé PSA pour l'oxygène utilise l'adsorption sur tamis moléculaire de zéolite, l'air comprimé et purifié entrant dans les récipients d'adsorption, l'azote étant préférentiellement adsorbé et le gaz riche en oxygène sortant du lit d'adsorption.
La configuration du système comprend la purification de l'air, les cuves d'adsorption, les capteurs de pression, les capteurs d'oxygène, le contrôle automatique, la tuyauterie de gaz et les interfaces de communication. Les spécifications d'oxygène PSA publiées par NEWTEK incluent des capacités de production de 1 à 300 Nm³/h, une pureté de l'oxygène de 93 % ± 3 % et une pression de sortie d'oxygène de 0,01 à 0,5 MPa, selon la configuration.
Pour l'aquaculture commerciale, le système PSA peut être connecté à des récepteurs d'oxygène, des cônes d'oxygène, des diffuseurs, des capteurs d'oxygène dissous et des équipements de traitement de l'eau. La capacité finale doit être calculée à partir de la biomasse, de la température de l'eau, de l'OD cible, de la demande maximale en oxygène, de l'efficacité du transfert d'oxygène et de l'expansion prévue de la production plutôt qu'à partir de la seule superficie de l'étang.
