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Expert chevronné en technologie de l'eau et entrepreneur avec une vaste expérience dans le développement technologique, le transfert de technologie et la gestion des connaissances au sein de l'industrie de l'eau. MBA de l'EMLYON Business School, récipiendaire du Prix de l'Innovation slovène
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Cet article explique la physique, fournit un tableau de saturation complet et couvre ce que cela implique pour l'aquaculture, l'hydroponie, l'irrigation et les bassins. Il explique également pourquoi vous pouvez introduire beaucoup plus d'oxygène dans l'eau que ce que l'air seul permet.
La physique : pourquoi la température contrôle la solubilité de l'oxygène
L'oxygène n'est que légèrement soluble dans l'eau. Les molécules d'O₂ sont non polaires et sont maintenues en solution par de faibles forces intermoléculaires, et non par des liaisons chimiques. Les molécules d'eau s'organisent autour de chaque molécule d'O₂ dissoute, et cette organisation libère un peu d'énergie. En d'autres termes, la dissolution de l'oxygène est exothermique.
Le principe de Le Chatelier stipule que lorsque l'on ajoute de la chaleur à un système en équilibre, l'équilibre se déplace dans la direction qui absorbe la chaleur. Pour l'oxygène dissous, cette direction correspond à la sortie de l'oxygène de l'eau. Il existe également une explication moléculaire simple. Dans une eau plus chaude, les molécules d'oxygène dissous possèdent plus d'énergie cinétique, ce qui signifie qu'un plus grand nombre d'entre elles ont assez d'énergie pour se libérer et s'échapper à la surface. Les forces faibles qui les maintiennent en solution importent moins.
Le résultat est que chaque augmentation de la température de l'eau abaisse la quantité maximale d'oxygène que l'eau peut contenir en équilibre avec l'air. Ce maximum est appelé la concentration de saturation.
Le rôle de la loi de Henry
La loi de Henry stipule que la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz au-dessus du liquide :
C = k_H × p
La température n'apparaît pas dans la loi elle-même. Elle modifie la constante k_H, qui diminue à mesure que l'eau se réchauffe. C'est l'effet décrit ci-dessus.
La partie sur la pression partielle de la loi est tout aussi importante, et elle est souvent négligée. L'air ne contient environ que 21 % d'oxygène. Si l'eau est exposée à un gaz contenant plus d'oxygène que l'air, la limite de saturation augmente proportionnellement. Nous y reviendrons ci-dessous.
Quelle quantité d'oxygène l'eau contient-elle à chaque température ?
Eau douce saturée en air au niveau de la mer (760 mmHg), en mg/L :
°C | mg/L | °C | mg/L | °C | mg/L |
|---|---|---|---|---|---|
0 | 14.6 | 12 | 10.8 | 24 | 8.4 |
1 | 14.2 | 13 | 10.5 | 25 | 8.3 |
2 | 13.8 | 14 | 10.3 | 26 | 8.1 |
3 | 13.5 | 15 | 10.1 | 27 | 8.0 |
4 | 13.1 | 16 | 9.9 | 28 | 7.8 |
5 | 12.8 | 17 | 9.7 | 29 | 7.7 |
6 | 12.4 | 18 | 9.5 | 30 | 7.6 |
7 | 12.1 | 19 | 9.3 | 31 | 7.4 |
8 | 11.8 | 20 | 9.1 | 32 | 7.3 |
9 | 11.6 | 21 | 8.9 | 33 | 7.2 |
10 | 11.3 | 22 | 8.7 | 34 | 7.1 |
11 | 11.0 | 23 | 8.6 | 35 | 7.0 |
Valeurs basées sur les équations de Benson & Krause (1984) utilisées dans les tables d'oxygène dissous de l'USGS.
La courbe est abrupte aux basses températures et s'aplatit aux températures élevées, mais la perte reste significative sur l'ensemble de la plage. Passer de 10 °C à 30 °C réduit la capacité en oxygène d'environ un tiers. Passer de 20 °C à 30 °C la réduit d'environ 17 %.
Deux autres facteurs modifient ces chiffres :
Salinité. Les sels dissous réduisent la solubilité de l'oxygène. L'eau de mer à pleine salinité contient environ 19 % moins d'oxygène que l'eau douce à la même température, soit environ 7,4 mg/L à 20 °C. Les systèmes d'aquaculture marine et saumâtre démarrent donc avec une marge de manœuvre plus faible.
Altitude. Une pression atmosphérique plus basse signifie une pression partielle d'oxygène plus faible. La saturation diminue d'environ 1,2 % par tranche de 100 m d'altitude près du niveau de la mer. À 500 m, elle représente environ 94 % de la valeur au niveau de la mer, et environ 89 % à 1 000 m.
L'eau chaude consomme également l'oxygène plus rapidement
La limite de saturation ne représente que la moitié de l'histoire. Les poissons, invertébrés, bactéries, algues et racines des plantes sont pour la plupart des organismes à sang froid ou dépendants de la température. Pour beaucoup d'entre eux, le taux métabolique double environ pour chaque augmentation de 10 °C.
Dans l'eau chaude, les poissons respirent plus fort et consomment plus d'oxygène par kilogramme. Les bactéries décomposent la matière organique telle que les aliments, les déjections et les algues mortes plus rapidement, et elles consomment de l'oxygène ce faisant. Les racines respirent plus vite et ont besoin de plus d'oxygène pour continuer à absorber les nutriments. Les agents pathogènes et les biofilms se développent plus rapidement, ce qui accroît encore la demande.
Ainsi, l'eau chaude contient moins d'oxygène alors que la consommation augmente. C'est pourquoi les chutes brutales d'oxygène dissous se concentrent en été. Elles sont plus graves dans les systèmes fermés, à forte densité d'élevage ou riches en nutriments, où la demande en oxygène peut dépasser ce que la surface peut réapprovisionner à partir de l'air.
Ce que cela signifie en pratique
Aquaculture et bassins
Le stress lié au manque d'oxygène chez les poissons se manifeste bien avant une mortalité visible. Une alimentation réduite, une moins bonne conversion alimentaire, une croissance ralentie et une sensibilité accrue aux maladies apparaissent généralement lorsque l'oxygène dissous chute vers environ 5 mg/L. Les espèces d'eau froide comme la truite sont généralement maintenues au-dessus de 6 à 7 mg/L environ. De nombreuses espèces d'eau chaude survivent à des niveaux plus bas mais ont tout de même une moins bonne croissance.
Dans les bassins extérieurs, le moment le plus dangereux se situe généralement juste avant l'aube. Pendant la journée, les algues réalisent la photosynthèse et ajoutent de l'oxygène. La nuit, tous les organismes ne font qu'en consommer. Une nuit chaude et calme après une journée nuageuse, avec peu de photosynthèse pour constituer une réserve, est le scénario classique d'une mortalité estivale de poissons.
→ Voir nos pages aquaculture et lacs et etangs.
Hydroponie et irrigation
Les racines des plantes ont besoin d'oxygène pour la respiration. La respiration alimente l'absorption active des nutriments. Lorsque l'oxygène dissous chute, les racines se retrouvent privées d'énergie, l'absorption des nutriments ralentit et le tissu racinaire devient plus vulnérable.
Une eau chaude et pauvre en oxygène favorise également le Pythium et d'autres agents pathogènes responsables de la pourriture des racines. Pour cette raison, de nombreux producteurs s'efforcent de maintenir les solutions nutritives en dessous de 22 à 24 °C environ. Au-dessus de cette plage, la combinaison d'un oxygène plus faible, d'une demande racinaire plus élevée et d'une croissance plus rapide des agents pathogènes augmente considérablement les risques.
Peut-on introduire plus d'oxygène dans l'eau chaude que ce que l'air permet ?
Oui, et c'est là que la loi de Henry joue en votre faveur.
L'eau en contact avec l'air ne peut atteindre que les valeurs de saturation du tableau. Cette limite provient de la teneur en oxygène de l'air d'environ 21 %, et non de l'eau elle-même. Si vous dissolvez de l'oxygène pur au lieu de l'air, la pression partielle est multipliée par près de cinq, tout comme la limite de saturation. À 20 °C, l'eau en équilibre avec de l'oxygène pur peut contenir environ 43 mg/L au lieu de 9,1 mg/L.
En pratique, il n'est pas nécessaire d'atteindre ce plafond. Un apport efficace de gaz enrichi en oxygène vous permet de maintenir l'oxygène dissous à des niveaux sains dans une eau trop chaude pour y parvenir seule. Vous pouvez même maintenir l'eau modérément sursaturée. Deux facteurs déterminent l'efficacité de cette méthode :
Source d'oxygène. Les générateurs d'oxygène sur site utilisant l'adsorption par inversion de pression (PSA) produisent de l'oxygène concentré à partir de l'air ambiant. Voir comment fonctionne un generateur d'oxygene avec lits de tamis.
Taille des bulles. Les grosses bulles remontent rapidement et éclatent à la surface, de sorte qu'une grande partie du gaz s'échappe sans être dissoute. Les bulles plus petites offrent une surface d'échange beaucoup plus grande par unité de gaz et remontent plus lentement, transférant ainsi plus d'oxygène avant d'atteindre la surface. Les bulles ultrafines, souvent appelées nanobulles, poussent ce principe à l'extrême. En savoir plus sur les bulles ultrafines.
Un bémol toutefois : une eau sursaturée par rapport à l'air libérera lentement son excès d'oxygène sur une surface ouverte. L'oxygénation dans les systèmes ouverts est donc un processus continu, et non un traitement ponctuel.
Qu'en est-il du refroidissement de l'eau ?
Le refroidissement augmente la limite de saturation, et dans les petits réservoirs ou les systèmes de recirculation, cela peut en valoir la peine. L'effet reste cependant modeste. Passer de 25 °C à 20 °C augmente la capacité d'environ 10 %. De plus, le refroidissement n'ajoute pas d'oxygène en soi ; il ne fait qu'élever le plafond que l'aération ou l'oxygénation peut ensuite combler. Refroidir de grands volumes d'eau est très énergivore, et c'est souvent peu pratique pour les bassins, les conduites d'irrigation ou les réservoirs extérieurs. Pour la plupart des exploitations, refroidir là où c'est économique et oxygéner là où ça ne l'est pas constitue la stratégie la plus réaliste.
Mesure : mg/L vs % de saturation
La saturation dépendant de la température, une mesure d'oxygène dissous ne signifie pas grand-chose si vous ne connaissez pas également la température. La plupart des Capteurs d'oxygène dissous indiquent les deux :
Le mg/L est la quantité absolue d'oxygène disponible pour les poissons et les racines. C'est le chiffre auquel se réfèrent les seuils biologiques.
Le % de saturation représente le taux de remplissage de l'eau par rapport à sa limite à la température, à la salinité et à la pression actuelles. 100 % à 30 °C ne représente toujours qu'environ 7,6 mg/L.
Un bassin peut afficher une saturation saine de 95 % par un après-midi chaud tout en étant proche des niveaux de stress en mg/L. Enregistrer en continu l'oxygène dissous et la température, plutôt que de faire une mesure ponctuelle unique, est le seul moyen fiable de détecter les baisses nocturnes et les chutes liées à la chaleur avant qu'elles ne provoquent des pertes.
→ Les capteurs d'eau Waboost enregistrent en continu l'oxygène dissous et la température, et transmettent les données au Waboost Cloud avec des alertes.
Questions fréquemment posées
L'eau chaude ne contient-elle plus du tout d'oxygène ?
Non. L'eau à 35 °C en contact avec l'air contient encore environ 7 mg/L. L'ébullition expulse la majeure partie des gaz dissous, mais l'eau chaude ordinaire contient toujours de l'oxygène. Elle en contient simplement moins que l'eau froide.
Pourquoi l'eau froide retient-elle plus d'oxygène ?
La dissolution de l'oxygène libère de la chaleur, donc les températures plus basses favorisent le maintien de l'oxygène à l'état dissous. Les molécules d'oxygène dissous dans l'eau froide ont également moins d'énergie pour s'échapper.
Quel est le niveau d'oxygène dissous sûr pour les poissons ?
Cela dépend de l'espèce. À titre indicatif, la plupart des poissons d'élevage se portent au mieux au-dessus d'environ 5 mg/L, et les espèces d'eau froide comme la truite au-dessus d'environ 6 à 7 mg/L.
L'eau peut-elle contenir plus de 100 % d'oxygène dissous ?
Oui. La photosynthèse lors des journées ensoleillées ou l'oxygénation avec de l'oxygène concentré peuvent sursaturer l'eau par rapport à l'air. Sans apport continu, l'excès s'échappe progressivement à la surface.
Conclusion
L'eau chaude contient moins d'oxygène dissous pour deux raisons. La dissolution de l'oxygène est exothermique, donc des températures plus élevées déplacent l'équilibre vers la phase gazeuse, et les molécules plus chaudes s'échappent plus facilement de la surface. Les conditions chaudes accélèrent également la consommation d'oxygène par tous les organismes présents dans l'eau. Le résultat est une offre en baisse face à une demande croissante, ce qui explique les mortalités estivales de poissons, la pourriture des racines dans les réservoirs chauds et les cultures stressées par la chaleur.
L'air fixe la limite supérieure de l'oxygène dissous, mais ce n'est pas une fatalité. En mesurant l'oxygène dissous en continu et en apportant de l'oxygène concentré sous forme de bulles suffisamment petites pour se dissoudre efficacement, vous pouvez maintenir des niveaux d'oxygène sains même lorsque l'eau est chaude.
Sources : Benson, B.B. & Krause, D. (1984), Limnology and Oceanography 29(3), 620–632 ; USGS Office of Water Quality, DOTABLES ; APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 4500-O.
