Brevet FR2718732A1 — publié le 19951020

PROCEDE DE TRAITEMENT POUR L'AMELIORATION DE LA OUALITE DE L'EAU CONTENUE DANS UN LAC ET INSTALLATION POUR LA MISE EN OEUVRE DUDIT PROCEDE. La présente invention concerne un procédé de traitement pour l'amélioration de la qualité de l'eau contenue dans un lac ou dans une retenue eutrophe et profonde. Elle a plus particulièrement pour objet un ensemble de mesures permettant d'agir contre les principales causes de détérioration de la qualité des eaux des lacs, à savoir notamment - la désoxygénation des eaux profondes en période estivale qui est à l'origine de nombreuses sources de nuisance, telles que . le relargage du phosphore ainsi que de métaux lourds toxiques par les sédiments, . la formation d'ammoniaque, . l'établissement d'un milieu impropre à la vie piscicole, - les développements algaux et, en particulier, des cyanophycées sécrétrices de toxines, - les apports en métaux lourds et en phosphore par les affluents du lac. On sait que pour lutter contre ces différentes causes, on a déjà proposé une multiplicité de solutions, chacune spécifique d'une cause déterminée. Il s' avère, à l'usage, que ces différentes solutions sont souvent incompatibles entre elles, l'usage d'une solution pour lutter contre une source de nuisance allant bien souvent à l'encontre de l'action nécessaire pour lutter contre une seconde source de nuisances. Ainsi, par exemple, la réoxygénation des eaux profondes doit, de préférence, s'effectuer sans perturber la stratification du plan d'eau alors que la lutte contre les développements algaux peut impliquer au contraire une déstratification. Le piégeage du phosphore et des métaux lourds déversés par les affluents implique, quant à lui, une sédimentation selon un processus de précipitation et de décantation qui paraissent incompatibles avec un brassage de l'eau. L'invention a donc plus particulièrement pour but un procédé permettant la mise en oeuvre d'un ensemble de mesures qui, jusqu'ici, semblaient incompatibles, et ce, en combinant leur action de manière à obtenir un traitement plus complet et plus efficace. Elle propose donc à cet effet un procédé de traitement faisant intervenir simultanément - un procédé d'aération des couches profondes utilisant au moins un aérateur hypolimnique placé à l'intérieur d'une zone de grand fond dans laquelle la profondeur du lac est supérieure à un seuil déterminé, cet aérateur engendrant une aspiration des eaux profondes désoxygénées grâce à une colonne de bulles engendrée par un diffuseur, puis un retour de l'eau ainsi entraînée, et qui a donc subi une oxygénation, au dessus du fond, sensiblement horizontalement de manière à éviter toute perturbation des couches d'eau profondes, - un brassage du plan d'eau à sa périphérie, grâce à la formation de rideaux de bulles qui assurent un pompage périphérique des eaux de surface avec un brassage et une oxygénation de l'ensemble de la colonne d'eau supérieure. Dans ce procédé, l'aération hypolimnique permet de réoxygéner les couches profondes et y évite l'apparition de conditions réductrices. Du fait qu'il n'effectue pas de brassage de la colonne d'eau, il préserve la stratification thermique qui a pu s'y installer, et ce, avec un bon rendement de transfert en oxygène. Par ailleurs, il ne requiert pas l'énergie nécessaire pour casser la barrière thermique entre les eaux froides et profondes et les eaux superficielles plus chaudes. L'aération avec brassage qui s'effectue dans une zone située à la périphérie de la zone profonde, ne perturbe que d'une façon négligeable la stratification de cette dernière. Grâce à l'oxygénation qu'elle produit, elle contribue à éviter l'apparition de conditions réductrices au niveau des sédiments. Toutefois, l'effet qui est le plus recherché résulte du brassage permanent de la colonne d'eau supérieure qu'elle produit : ce brassage maintient localement un milieu "agité" défavorable au développement des cyanophycées qui - sont à l'origine de fleurs d'eau spectaculaires, - sécrètent des toxines très violentes qui provoquent chez les baigneurs des dermatoses et des problèmes gastriques, - peuvent provoquer la mort d'animaux qui s'abreuvent dans les zones où elles s'accumulent. Par ailleurs, ces cyanophycées sont particulièrement nuisibles pour la production d'eau potable, car elles peuvent s'agréger en colonies, provoquant ainsi un colmatage des filtres. En outre, les toxines engendrées par ces algues causent des problèmes de goût et d'odeur qui peuvent nécessiter, dans les filières d'eau potable, un traitement combiné au charbon actif et à l'ozone à fortes doses. En plus des deux mesures précédemment évoquées, le procédé selon l'invention peut éventuellement comprendre l'abattement des matières en suspension dans les eaux délivrées par les affluents du lac, cet abattement étant produit grâce à un seuil immergé en matériau souple, tendu verticalement entre deux berges à l'embouchure de l'affluent, ce seuil étant maintenu à sa base par des lests le plaquant sur les sédiments et étant supporté dans sa partie supérieure par des flotteurs de manière à assurer ainsi le passage d'une lame d'eau d'épaisseur constante et ajustable. Installé à l'exutoire d'affluents chargés en matières nutritives, ce seuil permet d'assurer, dans des conditions de fonctionnement optimales, un abattement théorique du phosphore entrant, pouvant atteindre l'été 70 à 90 t. La charge en nutriments se déversant dans le plan d'eau s'en trouve réduite et, à terme, le développement algal est diminué en conséquence. Le bassin qui se trouve isolé en amont du seuil peut être avantageusement aéré, périodiquement, de façon à obtenir un fonctionnement optimal du "piège à phosphore" ainsi réalisé. Un mode d'exécution d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence au dessin annexé dans lequel La figure unique est une représentation schématique montrant en coupe un lac et l'implantation, dans ce lac, des différentes parties de l'installation. Dans cet exemple, le lac L présente un profil en forme de cuvette dont les bords évasés B remontent progressivement jusqu'à la surface S de l'eau. Ce lac est alimenté par une rivière R dont l'embouchure E est visible à gauche de la figure. Sur ce dessin, la ligne horizontale T correspond à la thermocline qui sépare théoriquement à une dizaine de mètres de profondeur, la couche d'eau inférieure pauvre en oxygène (hypolimnion) de la couche d'eau supérieure, riche en oxygène (épilimnion). Comme on le sait, en période estivale, le phytoplancton, présent dans l'épilimnion, produit des substances organiques qui, à la longue, se déposent dans l'hypolimnion. Dans celui-ci, les substances organiques sont décomposées en substances inorganiques par des bactéries, ce processus s'effectuant grâce à l'oxygène contenu dans l'eau. Dans des conditions normales, le renouvellement naturel de l'oxygène dans l'hypolimnion suffit pour alimenter ce processus et il se crée ainsi un équilibre. Si, pour une raison quelconque, la quantité de matière nutritive devient trop importante (par exemple un taux de phosphore trop important), la quantité de substances organiques qui se dépose dans l'hypolimnion devient elle même trop importante. L'oxygène présent dans l'hypolimnion devient alors insuffisant pour que la décomposition de la totalité des matières organiques puisse se produire. En période hivernale, les sels nutritifs se répartissent dans toute la masse d'eau (relargage des phosphores) et deviennent ainsi disponibles pour une nouvelle production de matières organiques. Ce processus conduit donc à un accroissement continuel de la production de matières organiques et, parallèlement, un appauvrissement continuel de l'oxygène présent dans l'hypolimnion. L'invention a donc plus particulièrement pour but - de limiter les apports en matière nutritive, et en particulier du phosphore provenant de la rivière R ainsi que du relargage des sédiments, - d'éviter la désoxygénation de l'hypolimnion de manière à éviter les phénomènes de relargage du phosphore et d'autres métaux lourds par les sédiments ainsi que la formation de substances impropres à la vie piscicole. Par ailleurs, il est clair que la présence de matières nutritives en grande quantité et, en particulier de phosphore, favorise des développements algaux et en particulier de cyanophycées sécrétrices de toxines. L'invention a donc également pour but de limiter le développement de ces algues. Pour parvenir à ces résultats, l'invention combine différentes mesures, a priori peu compatibles, de manière à produire un brassage et une oxygénation sélective et simultanée de l'épilimnion et de l'hypolimnion. La première mesure consiste en une aération hypolimnique réalisée à l'aide d'un appareil pouvant comprendre, comme représenté - une cloche cylindrique 1, ouverte dans sa partie inférieure et refermée dans sa partie supérieure par un fond 2 au sommet duquel débouche un conduit d'évacuation d'air 3, - un canal tubulaire 4 qui s'étend à l'intérieur de la cloche 1, sensiblement coaxialement à celle-ci, - une buse d'injection d'air 5 reliée à un compresseur (non représenté) par l'intermédiaire d'un conduit souple, cette buse 5 étant disposée dans la partie inférieure du canal 4, et - des orifices d'évacuation d'eau 6 prévus dans la partie inférieure de la paroi latérale de la cloche 1. L'ensemble comprenant la cloche 1, le canal 4 et la buse d'injection 5 est maintenu immergé dans l'hypolimnion, au voisinage du fond F, tandis que le conduit d'évacuation d'air 3 est maintenu en surface par un flotteur 7 de manière à déboucher à l'air libre. Le fonctionnement de cet appareil est alors le suivant L'air provenant du compresseur, qui est injecté par la buse 5, engendre dans le canal 4 une colonne de bulles qui entraîne un courant d'eau en l'oxygénant. Ce courant d'eau remonte à la partie supérieure de la cloche 1 puis redescend pour s'échapper par les orifices d'évacuation d'eau 6 prévus dans la cloche 1. Parallèlement, l'air excédentaire est évacué par le conduit d'échappement 3. Il est clair que grâce à cet appareil, on obtient une oxygénation de l'hypolimnion sans perturber la stratification thermique de l'eau du lac. De ce fait, le taux de décomposition des substances organiques en substances inorganiques peut atteindre un niveau suffisant et on évite ainsi le phénomène de relargage de matières nutritives. Le processus nuisible d'auto-désoxygénation de l'hypolimnion est donc stoppé. Par ailleurs, cet appareil présente l'avantage de présenter des coûts de fonctionnement réduits du fait qu'il ne requiert pas l'énergie nécessaire pour casser la barrière thermique entre les eaux froides et profondes et les eaux superficielles plus chaudes. La deuxième mesure utilisée dans le procédé selon l'invention consiste en une aération avec brassage, réalisée dans une zone qui s'étend linéairement autour du lac, de préférence à l'endroit où la profondeur du lac correspond à celle de la thermocline T qui sépare l'hypolimnion de l'épilimnion. Cette aération avec brassage fait intervenir au moins une canalisation 8, installée à la périphérie du plan d'eau, alimentée en air comprimé grâce à un compresseur (non représenté) installé sur la berge et disposé dans une enceinte totalement insonorisée. Cette canalisation 8 comprend une multiplicité d'orifices de sortie d'air de manière à délivrer un rideau de bulles d'air qui engendre une circulation d'eau par effet d"'air-lift" jusqu'à la surface. Ce traitement qui assure un surcroît d'oxygénation de l'eau ainsi qu'une homogénéisation de l'eau est surtout utilisé pour son action mécanique : il maintient un milieu "agité" défavorable au développement des cyanophycées dont les inconvénients ont été précédemment évoqués. Le brassage qu'il produit n'est pas contraire à l'effet recherché par la première mesure, (aération hypolimnique sans destratificaion, car elle est réalisée à la périphérie des zones profondes et non à l'intérieur de ces zones. La troisième mesure intéresse essentiellement les zones d'exutoire des affluents du lac, c'est-à-dire dans des zones traversées par un courant d'eau chargée de matières nutritives. Elle fait intervenir un seuil immergé 10 en matériau souple tendu entre deux berges et maintenu verticalement sur le fond grâce à des lests 11 et à des flotteurs 12, sa hauteur étant déterminée de manière à permettre le passage d'une lame d'eau d'épaisseur h constante et ajustable. Ce seuil 10 isole en amont une partie du lac qui fonctionne comme décanteur, assurant ainsi l'abattement des matières en suspension et, de ce fait, du phosphore particulaire et du phosphore absorbé sur les hydroxydes ferriques. La charge en nutriments se déversant dans le plan d'eau se trouve réduite. Avantageusement, le bassin décanteur délimité par le seuil 10 pourra être aéré périodiquement, grâce à un réseau de canalisations 13, de manière à favoriser l'action bactérienne et à obtenir ainsi un fonctionnement optimal du piège à phosphore. Revendications 1. Procédé de traitement pour l'amélioration de la qualité de l'eau contenue dans un lac (L) ou similaire, caractérisé en ce qu'il fait intervenir, en combinaison - une aération des couches profondes grâce à au moins un aérateur hypolimnique (1 à 7) placé à l'intérieur d'une zone de grand fond dans laquelle la profondeur du lac (L) est supérieure à un seuil déterminé (T), cet aérateur engendrant une aspiration des eaux profondes désoxygénées vers la surface grâce à une colonne de bulles engendrée par un diffuseur (4, 5), puis un retour de l'eau ainsi entraînée, et qui a donc subi une oxygénation, au-dessus du fond (F), sensiblement horizontalement de manière à éviter toute perturbation de l'eau, - un brassage du plan d'eau dans une zone périphérique à la zone de grand fond, grâce à la formation d'un rideau de bulles qui assure un pompage périphérique des eaux profondes vers la surface avec un brassage et une oxygénation de l'ensemble de la colonne d'eau périphérique. 2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'abattement des matières en suspension dans les eaux délivrées par les affluents (R) du lac (L), cet abattement étant produit grâce à un seuil immergé (10) en matériau souple, tendu verticalement entre deux berges à l'embouchure de l'affluent (R), ce seuil (10) étant maintenu à sa base par des lests (11) le plaquant sur les sédiments et étant supporté dans sa partie supérieure par des flotteurs (12) de manière à assurer ainsi le passage d'une lame d'eau d'épaisseur constante (h) et ajustable. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le susdit brassage s'effectue dans une zone périphérique dans laquelle la profondeur correspond sensiblement à la thermocline (T) qui sépare l'hypolimnion de l'épilimnion. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une aération périodique du bassin décanteur délimité par le seuil immergé en matériau souple (10). 5. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins - un appareil d'aération hypolimnique comprenant une cloche cylindrique (1), ouverte dans sa partie inférieure et refermée, dans sa partie supérieure, par un fond (2) au sommet duquel débouche un conduit d'évacuation d'air (3), un canal tubulaire (4) qui s'étend verticalement à l'intérieur de la cloche (1), une buse d'injection d'air (5) disposée dans la partie inférieure du canal (4) et des orifices d'évacuation d'eau (6) prévus dans la partie inférieure de la paroi de la cloche (1), et - un appareil d'aération et de brassage comprenant au moins une canalisation (8) installée sur le fond du lac et alimentée en air comprimé grâce à un compresseur, cette canalisation (8) comprenant une multiplicité d'orifices de sortie d'air apte à délivrer un rideau de bulles d'air qui engendre une circulation d'eau depuis le fond jusqu'à la surface. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un bassin de décantation délimité par un seuil immergé (10) en matériau souple tendu entre deux berges et maintenu verticalement sur le fond grâce à des lests (11) et à des flotteurs (12), ce bassin de décantation étant, de préférence, équipé de moyens aptes à effectuer une aération périodique de l'eau.