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Quelques réflexions sur la filtration des

par J. A. SCHULZ et J. J. STEIMER- Université de Strasbourg

I RAISONS GENERALES DE L'EPURATION DES EAUX D'AQUARIUM
1) INTRODUCTION
Notre propos n'est pas de traiter exhaustivement les problèmes de l'entretien d'une eau de mer d'aquarium. D'excellents ouvrages de base y consacrent un ou plusieurs chapitres. Cet article en présuppose d'ailleurs la lecture. Nous voudrions, en présentant d'une façon un peu différente quelques idées générales, inciter à la réflexion sur le pourquoi et le comment de la foule des méthodes et des modèles de filtres, plutôt que de décrire une fois de plus ceux-ci.
Une eau de mer théorique " pure " dénuée de tout être vivant ne serait composée que d'eau, de sels minéraux (en concentration globale variable - en moyenne 32 g/1 - mais en concentrations relatives constantes) et de gaz atmosphériques dissous. Remarquons qu'un équilibre chimique entre gaz carbonique, carbonates et bicarbonates dissous provoque dans un tel milieu un pH tamponné à 8,3.
L'eau de mer naturelle (vivante) contient en plus 2 mg/1 de matière organique au large (jusqu'à 100 mg/1 dans certains zones côtières comme les mangrovières), et un peu de résidus reminéralisés d'origine biologique tels que nitrates et phosphates.
Si l'on fait abstraction de la capacité de certains organismes d'extraire de l'eau et de concentrer dans leurs tissus des éléments tels que l'iode (ex : algues), l'ensemble du phénomène " vie " se traduit au niveau du milieu aqueux par la transformation chimique, l'accumulation ou la disparition de ces matières organiques et de ces formes minérales de l'azote et du phosphore.
Le but de toute filtration est simplement de réguler ces transformations, et d'éviter l'accumulation nocive des substances constituant les étapes des réactions biochimiques.2) NECESSITE DE LA 2) FILTRATION - BILAN DE MATIERE ET D'ENERGIE
La nécessité de la filtration provient de ce que " l'équilibre biologique " est une utopie en aquarium. L'équilibre en système fermé (du point de vue thermodynamique), qui implique un bac obscur (pas d'apport d'énergie lumineuse) sans apport de nourriture ni extraction de déchet aboutit à l'absence de vie (entropie maximale). L'équilibre en système ouvert (dynamique, en fait plutôt état stationnaire qu'équilibre) est théoriquement concevable : l'apport de lumière et de nourriture ( = énergie chimique) est compensé par l'enlèvement des déchets et la récolte périodique de l'excédent d'algues.
Si vous introduisez dans un bac de 1 000 I, sous forme de nourriture, 22 g d'azote par mois ( = 1 grosse poignée de nourriture), cela entraîne l'apparition de 100 mg de nitrate par litre (chiffre tout à fait moyen dans les bacs). Pour extraire cet azote sans filtration, ceci exige que vous récoltiez 13 kg d'algues égouttées dans la même période. Que ceux qui font cela nous écrivent I
La dernière raison qui rend nécessaire une épuration poussée de l'eau de l'aquarium marin est la suivante : les animaux des récifs coralliens vivent dans un milieu extrêmement stable. Ils y sont merveilleusement adaptés, mais ne sont plus, adaptables à une altération du milieu. L'aquarium est toujours un milieu altéré, mais il est indispensable de minimiser par tous les moyens cette imperfection par rapport au milieu naturel.
3) NATURE DES PROCESSUS ENERGETIQUES - POTENTIEL REDOX
Les êtres vivants peuvent tirer l'énergie nécessaire à leur métabolisme soit de l'absorption de la lumière (photosynthèse des plantes), soit de la transformation de substances chimiques riches en énergie en substances pauvres en énergie.
Les réactions chimiques qui déplacent le plus d'énergie sont les réactions d'oxydation ou de réduction (qui est le phénomène inverse). Une simplification pratique en aquariophilie consiste à ne considérer que ces réactions dans les processus biochimiques (quitte à faire hurler les scientifiques puristes).
Un milieu oxydant (resp. réducteur) se caractérise par un " potentiel redox " élevé (resp. faible ou négatif). La définition précise de cette grandeur est donnée en annexe.
L'eau ne sert que de vecteur aux substances énergétiques, aux substances déjà " brûlées ", aux catalyseurs biologiques, etc. ; les différences entre de l'eau d'aquarium et l'eau de mer " pure " théorique se résument donc pratiquement aux transformations de substances oxydo-réductrices caractérisant les cycles vitaux.
Dans les eaux naturelles les déchets sont dégradés par des processus essentiellement oxydants (p. ex. voir cycle de l'azote), et le potentiel redox se stabilise à des valeurs élevées (- + 200 mV).

4) CONCLUSION ET APPLICATIONS
Il en résulte nécessairement que les substances oxydées (ex. : nitrates) sont en général peu nocives, alors que les substances réduites peuvent être des toxiques violents (ex. : ammoniaque).
D'autre part, dans les eaux naturelles, à cause du grand volume, toutes ces substances sont très diluées. Il en découle (même causalité) qu'une accumulation globale est elle-même nocive.
Sur le plan pratique, ceci conduit aux deux principes fondamentaux de l'entretien d'une eau d'aquarium : maintenir un potentiel redox élevé et empêcher l'accumulation globale des déchets, ce qui se traduit par filtre (ou transformateur) biologique + filtre mécanique.
Les algues supérieures et les algues vertes (en particulier filamenteuses) ne se développent que si le potentiel redox est élevé. S'il est moyen, elles sont remplacées par les algues encroutantes rouges. S'il est très bas, les algues brunes dominent. Tout ceci en admettant que l'éclairage est correct, par ailleurs.
La nature des algues d'un bac est donc un excellent indicateur de l'état de l'eau. Il a le seul inconvénient de présenter une certaine inertie : de la nourriture non consommée, un cadavre passé inaperçu peut faire chuter en quelques heures le potentiel d'un bac. Les algues filamenteuses vont dépérir en quelques jours, mais il est déjà trop tard lorsqu'on le constate.
D'une façon plus générale, il y a 2 manières de diagnostiquer l'état d'un bac. Un observateur fin verra, ou mieux " sentira " un bac d'après ses algues, les couleurs et la vivacité des animaux, la mousse à la surface, l'odeur, ou même par " l'indéfinissable ".
Le " scientifique " mesurera pH, nitrites, pE, NH3, phénols, etc. On nous a reproché de faire certaines de ces mesures. Nous pensons après 15 ans d'aquariophilie, n'avoir pas les sens assez fins pour ne pas étayer notre propre " feeling " de l'indéfinissable par des mesures objectives, que nous ne faisons d'ailleurs que si l'observateur en nous est alerté.
II. REMARQUES SUR LES MOYENS TECHNIQUES COURAMMENT UTILISES
1) FILTRATION MECANIQUE
Elle peut se concevoir soit par décantation soit à travers un support mécanique (ex. mousse). La décantation, qui implique une vitesse lente et un très grand filtre, est irréalisable de façon efficace pour un aquarium de salon. Ce qu'on appelle souvent filtre à décantation est en fait un filtre sur support. Il a avantage à être rapide pour assurer en même temps le brassage de l'eau, ce qui est aussi important que la filtration mécanique elle-même.
Un déchet fixé dans le filtre n'est pas pour autant sorti du système du point de vue biochimique : il n'en sera sorti que lorsqu'on l'aura retiré du filtre (nettoyer souvent la masse filtrante).
2) FILTRATION PAR CHARBON ACTIVE
Elle est caractérisée par une phase initiale de physisorption (par les pores) accompagnée d'une activité chimique réductrice. Ensuite (en général après 2-3 jours) elle ne joue plus que le rôle d'un gravier, sans perdre pour autant toutes ses propriétés chimiques, essentiellement réductrices (et néfastes). Celles-ci, ainsi que les variations de qualité des produits commerciaux la font de plus en plus rejeter. Elle ne devrait servir qu'en cas d'urgence (pollution subite) pendant 1-2 jours, et sous surveillance. Jeter ensuite le charbon utilisé.
3) FILTRATION CHIMIQUE, RESINES.
L'échange des nitrates par les chlorures est séduisant a priori. Cependant un regard sur une échelle d'affinité suffit à ternir ce bel optimisme. L'extraction concomitante des iodures et d'oligo-éléments ne devrait pas constituer le but de l'aquariophile !
Mentionnons pour mémoire les phénols, solvants et catalyseurs de polymérisation que peuvent rejeter certaines résines de basse qualité.
Les résines constituent peut-être une voie d'avenir mais pas d'avenir immédiat.
4) FILTRATION BIOLOGIQUE
Le filtre à bactéries (essentiellement transformation de l'azote des formes acide aminé, amines et ammoniac en nitrate) demande une très grande taille. Le sol de l'aquarium, surtout monté en filtre de sol inversé, constitue le meilleur filtre de ce type.
- Le filtre à algues, s'il n'est pas de très grande taille, ne peut qu'éliminer une faible partie de l'azote minéral. Son principal intérêt est ailleurs : les plantes semblent rejeter en faible quantité des substances (par ex. vitamines) importantes pour le métabolisme animal : leur présence ne peut donc être que bénéfique.
De plus, la construction d'un tel filtre permet d'essayer l'acclimatation d'algues délicates, voire de certains animaux qu'on pourra y isoler.
5) CHANGEMENTS D'EAU : INDISPENSABLES !
Notons enfin qu'aucun de ces filtres n'est de type pur : un filtre mécanique ou chimique, par les bactéries qui s'y fixent, est toujours un peu biologique, et inversement le substrat d'un filtre biologique peut jouer un rôle mécanique. Enfin, aucun de ces filtres, de par leur taille limitée, n'est parfait et ne dispense des changements d'eau.ECUMAGE
Cette application aquariologique des méthodes industrielles de séparation par flottation nous semble un des meilleurs accessoires techniques dont nous disposions. Son principal avantage sur les autres méthodes de filtration est de retirer réellement les déchets du circuit biochimique, alors que les filtres ne font que les stocker provisoirement à un niveau ou un autre du circuit. Il importe de le faire fonctionner efficacement et de ne pas le mettre dans l'aquarium simplement à titre décoratif. On constate malheureusement que la plupart des amateurs ont des écumeurs mal réglés et mal nettoyés. Les
deux principales caractéristiques d'un écumeur sont la hauteur de la colonne du mélange eau-bulles d'air et son débit. Les modèles intérieurs (alimentés par pompe à air) du commerce sont à peine suffisants. Il est bon d'en placer une batterie de 2 ou 3 (dans le bac de filtration pour des raisons esthétiques). Des écumeurs extérieurs existent à l'état de prototypes.
Pour des bacs de plus de 500 l, nous conseillons les écumeurs à injection (par ex. Eheim ou Tunze).
6) U.V. et OZONE
Ces deux accessoires sont tantôt portés aux nues tantôt décriés. L'effet bactéricide et alguicide de l'U.V. est connu. Il semble pouvoir empêcher les développements explosifs de bactéries ou d'algues unicellulaires. Nous ignorons si son efficacité en aquarium a pu être formellement démontrée. Comme en tout cas on n'a jamais signalé de contre-indications ou d'effets néfastes (1), on ne peut que le recommander.
L'ozone, par son effet fortement oxydant aide, entre autres, à transformer l'ammoniac en nitrate. De façon plus générale, il aide à maintenir ou augmenter le potentiel redox.
Par ailleurs, il détruit les inhibiteurs de tensio-activité, augmentant ainsi l'efficacité de l'écumeur.
Cependant, son dosage est délicat. Une dose excessive peut provoquer de graves lésions chez les poissons comme chez l'homme.
Une dose de 5 mg/heure pour un bac de 200 1 est généralement admise. Nous aimerions avoir l'avis d'instituts de recherche disposant de données statistiques à ce sujet.
7) EXPLOITATION DES FILTRES, POMPES
On peut exploiter un filtre soit pneumatiquement (pompe à air, exhausteurs), soit par moteurs électriques (pompes à circulation d'eau). Certains zoos (ex. : Wilhelma, Stuttgart) utilisent exclusivement des compresseurs à air, entre autres pour des raisons de sécurité (pas de court-circuits électriques). Mais les pompes à air courantes des aquariophiles sont absolument insuffisantes pour assurer un débit de filtration suffisant. Ces pompes ne peuvent alimenter que les écumeurs ou des filtres biologiques à débit faible.
Les filtres à grand débit des aquariums domestiques ne peuvent pratiquement être alimentés que par des pompes à circulation d'eau électriques.
Certains fabricants proposent des systèmes complets pompe + filtres (Eheim, Aqua Joy, etc.), d'autres des pompes seules (Sirem, Réna, Turbelle, etc.).
La place disponible, la facilité de nettoyage, l'aptitude au bricolage sont des considérations pratiques importantes pour le choix.
Le principal critère devrait être la courbe caractéristique de la pompe (débit en fonction de la perte de charge (2) imposée). Certaines pompes donnent un débit moyen, même avec une forte perte de charge (Eheim, 1 200 l/h pour le plus gros modèle), d'autres un débit important, mais seulement sous perte de charge faible (Turbelle, jusqu'à 4 000 l/h), certaines enfin, plus puisesantes, un bon débit même sous perte de charge importante (Sirem, jusqu'à 2 800 l/h). L'aquariophile choisira selon son projet personnel d'installation de filtration.
Nous donnons en annexe 2 le schéma de notre propre installation de filtration. Elle nous donne toute satisfaction, mais nous ne prétendons évidemment pas l'imposer comme la 8ème merveille du monde, la perfection ultime.
CONCLUSION
Cet article a certainement déçu ceux qui s'attendaient à y trouver la description d'un nouveau filtre miracle. En insistant sur l'importance de la notion d'oxydo-réduction, peu familière aux amateurs français, nous voulions surtout inciter le lecteur à se poser des questions sur les buts réels de l'épuration de l'eau. Les moyens techniques avaient besoin d'une critique comparative. Mais le lecteur seul peut être juge du choix des accessoires techniques, ainsi que des indispensables changements partiels d'eau, en fonction des données de son problème personnel.
(') Perte de charge ensemble des obstacles du circuit d'eau longueur et dénivellation des tuyaux, coudes, rétrécissements, masses filtrantes à passer, etc.


Annexe 1
Notion de potentiel redox.
Les notations élémentaires de la chimie sont supposées connues. Si une substance peut exister sous deux formes appelées ox et red, celles-ci forment un couple redox, si elles se transforment l'une en l'autre suivant l'équation :
a ox + n e- <=> b red.
Exemple : l'iode et l'iodure :
I2 + 2 e- <=> 2 I-
Si on place deux couples (oxi, redi) et (ox2, red2) dans deux récipients, reliés d'une part par un tube de liquide ionique (conducteur) et d'autre part par un voltmètre suivant la figure ci-dessous :
On crée une pile électrique, siège d'une force électromotrice V. On peut démontrer que V = E1 - E2.
E1 et E2 sont les potentiels redox des couples (ox1, red1) et (ox2, red2).
Si (0x2, red2) est un couple choisi une fois pour toutes, généralement le couple (H2, H +), tous les couples peuvent se mesurer par rapport à ce standart. (On pose par convention E2 = 0).
Dans la pratique on utilise une grandeur : pE ˜ 16,9 E qui a une signification similaire au pH (mesure logarithmique de la concentration de H+ ).
Le pE des solutions aqueuses varie de +14 à -10. Un pE élevé caractérise des milieux à potentiels redox élevés, un pE faible ou négatif des milieux réducteurs.
Il serait souhaitable qu'une firme mette sur le marché un indicateur de pE facile à manier, comme il en existe pour le pH. Sa mesure serait, à notre avis, plus importante encore que la mesure du pH.
Les intéressés pourront trouver chez Hückstedt (Aquarientechnik) une recette relativement simple (oxydimétrie par Cer IV) pour mesurer le " potentiel redox de l'aquarium " ; elle ne donne pas une mesure détaillée des nombreux couples redox qui y interfèrent, mais une indication globale suffisante pour l'aquariophile.
Annexe 2

Schéma de notre installation de filtration
- Le rejet direct assure un courant de brassage dans l'aquarium.
- Le tube percé Eheim, après passage sur l'U.V. stérilisateur (Hilena 6 V) assure une aération supplémentaire de l'eau.
- Le diffuseur dans le bac de filtration réoxygène l'eau sortant de la mousse perlon (réduite sur ce premier lit bactérien) avant qu'elle ne passe dans le filtre sous sable (principal filtre bactérien).
- Dans notre bac de 300 l, nous utilisons une pompe à eau Sirem 1 000 l/h et deux écumeurs classiques.
- Dans notre bac de 550 l, nous utilisons une pompe Sirem 1700 l/h et un écumeur à injection Eheim.
- Nos filtres sous sable sont constitués de morceaux de chemins de câbles (3) en PVC coupés à la longueur convenable recouverts d'un moustiquaire porion, puis de sable (en couche suffisamment épaisse pour les animaux fouisseurs). Ils couvrent dans la mesure du possible tout le fond du bac.
(9) Les chemins de câble sont des barres en forme de U, en fer ou en PVC, utilisés en usine pour conduire les câbles électriques. On peut se les procurer chez les grossistes en matériel électrique industriel.

Photo 1 : Système de filtration d'un bac de 700 litres. Filtre de 75 litres. Pompe Sirem 1 700 l/h. Stérilisateur Hilena 6 W. 3 siphons d'amenée d'eau. Pompe Eheim (avec ses 2 tuyaux au 1er plan) indépendante, alimentant un écumeur à injection. Voir annexe 2. Photo 2 : Système de filtration d'un bac de 300 litres (photo d'en tête de l'article). Pompe Sirem de 1 000 litres/heure. Stérilisateur Hilena 6 W. 2 siphons d'amenée d'eau. 2 écumeurs classiques dans le bac de filtration. Photos : J. Teton


BIBLIOGRAPHIE
- Das tropische Meerwasseraquarium, Frank de Graaf.
- Niedere Tiere im tropischen Seewasseraquarium, Peter Wilkens.
- Aquarienchemie, Guido Hückstedt.
- Aquarientochnik, Guido Hückstedt.
- Filter Materials for the Eheim power filters. Documentation technique Eheim.
-- Documentation technique Sirem.
- Ion-Exchange. Documentation Dowex de DowChemical.
- Equilibrium concepts in natural water systems. American Chemiaal Society, 1967 :
J.J. Morgan : Applications and limitations of chemical thermodynamics in natural water systems.
L.G. Sillén : Master variables and activity scales.
J.C. Morris, W. Stumm : Redox equilibria in aqueous environment.
- Memento Technique de l'eau, de l'Entreprise Degré-mont.
(1) Récemment le Dr Schubert (Université de Stuttgart) nous a cependant signalé que l'U.V. pourrait dans certains cas induire photo-chimiquement une réduction des nitrates en nitrites.