Brevet FR2771401A1 — publié le 19990528

La présente invention concerne un procédé permettant de renouveler les couches d'eau profondes d'un plan d'eau. Elle a plus particulièrement pour objet un ensemble de mesures permettant d'agir contre les principales causes de détérioration de la qualité des eaux d'un lac. Il s'avère en effet que pendant la période estivale, il règne un important gradient thermique entre les couches d'eau superficielles et les couches profondes d'un lac. Ce phénomène est dû à la différence de densité entre les eaux chaudes, en surface et les eaux froides qui restent au fond, qui entraîne une stratification et un isolement des couches profondes, avec les effets suivants Les couches profondes perdent leur oxygène assez rapidement en raison du caractère réducteur des sédiments. Cette réactivité des sédiments qui proviennent de la sédimentation des algues, contribue à épuiser rapidement le stock d'oxygène dissous disponible dans les couches d'eau profondes. Cette carence en oxygène engendre de nombreux phénomènes physico-chimiques dégradant la qualité de l'eau. Le caractère réducteur de l'interface eau/sédiments provoque également une stratification chimique de l'eau. On peut ainsi noter la formation de composés tels que l'ammoniaque dont la forte concentration en été résulte directement de la dégradation de la matière organique et du blocage du processus de nitrification. Cette forte concentration non seulement rend l'eau non potabilisable, mais peut aussi être toxique pour la faune et perturber l'équilibre de l'écosystème. On peut remarquer également un développement important d'algues, et en particulier de cyanophycées sécrétrices de toxines, dû aux apports en phosphore, non seulement par les affluents du lac, mais également par les sédiments qui apportent également des métaux lourds. Pour lutter contre ces phénomènes, on a déjà proposé une multiplicité de solutions, chacune visant 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 nuisances allant bien souvent à l'encontre de l'action nécessaire pour lutter contre une seconde source de nuisances. Ainsi, par exemple, l'oxygénation des eaux profondes doit, de préférence, s'effectuer sans perturber la stratification du plan d'eau, alors que la lutte contre les développements d'algues peut au contraire être effectuée par un brassage de la colonne d'eau. Le piégeage du phosphore et des métaux lourds déversés dans le plan d'eau par ses affluents implique, quant à lui, une sédimentation selon un processus de précipitation et de décantation qui apparaissent incompatibles avec un brassage de l'eau. Pour résoudre ce problème, la Demanderesse a déjà proposé un aérateur hypolymnique faisant l'objet de la demande de brevet N" 94 04576, qui doit être déposé au fond des plans d'eau. Cet aérateur engendre une oxygénation de l'eau par aspiration des eaux profondes désoxygénées, grâce à une colonne de bulles d'air engendrée par un diffuseur à l'intérieur de l'appareil, et entraîne un retour de l'eau qui a subi une oxygénation au niveau même du prélèvement. Cet aérateur qui évite de perturber la stratification des eaux, est utilisé pour aérer le fond des plans d'eau profonds. Par contre, si pour diverses raisons, on doit brasser la couche d'eau la plus profonde des plans d'eau, on risque de brasser en même temps les sédiments, et donc de perturber le confinement du phosphore et des métaux lourds. Il s'avère en effet que les sédiments ont souvent une densité voisine de celle de l'eau, si bien que le moindre mouvement de l'eau a tendance à les disperser. La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle propose un procédé pour le renouvellement de couche d'eau la plus profonde d'un plan d'eau sans entraîner les sédiments. A cet effet, le procédé selon l'invention utilise un aérateur maintenu à une certaine distance au dessus de la couche de sédiments, cet aérateur étant conçu pour injecter à cette distance des bulles d'air comprimé de très petites dimensions, qui se mélangent à l'eau et en diminue la densité. Grâce à cette disposition, le mélange d'eau et de microbulles d'air dans l'eau ainsi produit a tendance à remonter à la surface avec une vitesse très faible au niveau du point d'injection des bulles, et s'accélère en remontant. La couche d'eau la plus profonde en contact avec les sédiments, en dessous du point d'injection de l'air est donc aspirée avec une vitesse voisine de zéro. Le mélange d'eau et de bulles d'air arrive en surface avec une vitesse relativement importante et produit ainsi un mouvement d'eau horizontal, puis un retour de l'eau aérée par contact avec l'air atmosphérique vers le fond avec une vitesse très faible le long de la couche de sédiments. Par ailleurs, il convient de remarquer que l'oxygénation de l'eau par injection de microbulles est plus efficace que lorsque les bulles d'air sont plus grosses, la surface des bulles d'air en contact avec l'eau et la durée de remontée des bulles d'air à la surface étant ainsi plus importantes. Le procédé selon l'invention permet donc d'appliquer à l'eau profonde d'un plan d'eau une double oxygénation, à la fois par injection de bulles d'air et par contact atmosphérique. Cet effet d'oxygénation est renforcé par le fait que l'eau profonde moins oxygénée qui arrive en surface capte davantage d'oxygène par contact avec l'atmosphère que de l'eau immobile en surface, déjà saturée en oxygène. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé mentionné ci-avant, ce dispositif comprenant au moins une canalisation d'aération percée d'une multiplicité de buses d'injection d'air aptes à produire un rideau de microbulles d'air, cette canalisation étant ancrée dans l'eau à une certaine distance au-dessus de la couche de sédiments du plan d'eau, par des éléments de lest répartis le long de la canalisation, fixés à celle-ci par des moyens de liaison, et reposant au fond du plan d'eau, cette canalisation étant reliée à une source d'air comprimé. Les buses sont dimensionnées de manière à produire des microbulles dans l'eau tout en évitant leur colmatage, et sont réparties le long de la canalisation d'aération de manière à tenir compte des pertes de charge. Selon une particularité de l'invention, le dispositif comprend une canalisation de ballast fixée le long de la canalisation d'aération, dont le diamètre est déterminé en fonction de la masse des éléments de lest, de manière à contribuer au lestage de la canalisation d'aération lorsqu'elle est remplie d'eau, et permettre la remontée de la canalisation d'aération lorsqu'elle est remplie d'air au moyen de la source d'air comprimé. Il n'est donc pas nécessaire de vidanger le lac ou de faire intervenir des plongeurs pour pouvoir assurer l'entretien de la canalisation d'aération. Selon une autre particularité de l'invention, la canalisation d'aération est fixée aux lests par l'intermédiaire de liaisons souples dont la longueur est calculée en fonction de l'épaisseur de la couche de sédiments. De cette manière, la canalisation d'aération se met automatiquement à la hauteur souhaitée au-dessus de la couche de sédiments, lorsqu'on y injecte de l'air. Avantageusement, les canalisations d'aération et de lest sont réalisées en une matière souple et imputrescible qui présente une bonne résistance au vieillissement et une souplesse suffisante pour permettre leur immersion et leur renflouement. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure l est une représentation schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprenant un dispositif d'aération d'un plan d'eau; La figure 2 montre plus en détail le dispositif d'aération montré sur la figure l; La figure 3 illustre schématiquement les mouvements de brassage engendrés dans l'eau par le dispositif d'aération montré sur la figure 2. La figure 1 représente une installation selon l'invention, qui fait intervenir un aérateur constitué d'un réseau de lignes de bullage 12 (une seule ligne est représentée sur la figure 1) fermées à leurs extrémités, disposées dans le plan d'eau 6 à traiter. Chacune de ces lignes de bullage 12 comprend de façon classique un conduit tubulaire, de préférence souple, muni d'une pluralité de buses d'échappement d'air uniformément réparties sur toute sa longueur le long d'une génératrice. Selon l'invention, ces buses sont conçues pour laisser échapper dans l'eau des fines bulles d'air dont le diamètre est inférieur à deux millimètres. Les lignes de bullage 12 sont reliées, soit à l'une de leurs extrémités, soit en un orifice latéral prévu à cet effet, à un système générateur d'air comprimé 1 par l'intermédiaire de conduits d'alimentation 13 distincts les uns des autres. Chacun de ces conduits 13 est connecté à un circuit de distribution d'air comprimé 2 par l'intermédiaire d'une vanne de commande 11 respective, automatique ou non, éventuellement associée à un régulateur de débit réglable. Les lignes de bullage 12 présentent avantageusement une masse volumique telle qu'elles ont tendance à remonter à la surface de l'eau. La production d'air comprimé peut être réalisée au moyen d'un compresseur 3 débitant dans le circuit de distribution 2, au travers d'une enceinte 4 éventuelle. La pression à l'intérieur de l'enceinte 4 est maintenue constante grâce à un régulateur de pression (non représenté sur la figure). Ce dernier pilote le compresseur 3 en fonction de l'écart entre la pression détectée à l'intérieur de l'enceinte 4 et une valeur de pression de consigne. Le régulateur de pression et les vannes peuvent être pilotés par une centrale de commande 5 permettant selon le cas, d'alimenter alternativement ou simultanément en air comprimé les lignes de bullage 12. Sur la figure 2, chaque ligne de bullage 12 est couplée par des liaisons 24, de préférence en une matière souple et imputrescible, à une conduite tubulaire de ballast 22 fixée à des blocs de lest 23, par exemple, réalisés en béton, répartis le long de la conduite 22. La conduite de ballast 22 peut être alimentée en air comprimé par une conduite 25 reliée au circuit de distribution 2 par l'intermédiaire d'une électrovanne 21 commandée par l'unité de commande 5 (figure 1). Lors de la pose de l'aérateur dans le plan d'eau, la conduite 22 se remplit d'eau, et les blocs de lest 23 entraînent l'ensemble des deux conduites 12 et 22 au fond du plan d'eau, les blocs de lest s'enfonçant dans la couche de sédiments 31 de faible densité, et assurant l'ancrage des conduites au fond du plan d'eau. En fonctionnement normal, la vanne 1 1 est ouverte pour injecter de l'air comprimé dans la conduite de bullage 12. Celle-ci se remplit d'air et, du fait de sa masse volumique, a tendance à remonter. I1 en résulte que la liaison 24 se tend et retient la conduite 12 à une certaine distance au-dessus de la couche de sédiments 31. La longueur de la liaison 24 est déterminée de manière à maintenir le niveau d'injection de microbulles 14 d'air comprimé à une certaine hauteur h au-dessus de la couche de sédiments 31. Cette hauteur est avantageusement de l'ordre de quelques dizaines de centimètres. Comme on le voit sur la figure 2, la liaison 24 est fixée à la conduite 12 de manière à maintenir les buses 15 d'injection d'air comprimé orientés vers le haut. La conduite 22 présente une masse volumique et un diamètre choisi de manière à ce que lorsqu'on y injecte de l'air comprimé pour en évacuer l'eau, en ouvrant la vanne 21 et en fermant la vanne 11, elle entraîne l'ensemble à la surface du plan d'eau. Ainsi, la conduite 22 sert à la fois de lest lorsqu'elle est pleine d'eau, en maintenant la conduite de bullage 12 à une certaine distance du fond du plan d'eau, et lorsqu'elle est remplie d'air, elle permet de faire remonter l'ensemble des deux conduites 12 et 22 et des blocs de lest 23,. Les conduites 12 et 22 sont par exemple réalisées en polyéthylène haute densité qui présente une bonne souplesse et une bonne résistance au vieillissement. La figure 3 montre la circulation de l'eau représentée par les flèches 34, 35, produite par les microbulles d'air injectées par la ligne de bullage 12. Au voisinage des orifices d'injection des microbulles, l'eau mélangée aux microbulles remonte vers la surface par effet d' "air lift", d'abord avec une vitesse très faible qui augmente jusqu'à atteindre la surface 33 du plan d'eau. En remontant, les bulles se mélangent avec une eau froide et très faiblement oxygénée au voisinage de la couche de sédiments 31 et grossissent en se combinent entre elles. En arrivant à la surface 33, les bulles éclatent et le flux d'eau poussé vers la surface est entraîné de part et d'autre du rideau de bulles produit par la ligne de bullage 12 dans une direction horizontale perpendiculaire à celui-ci. Durant ce mouvement horizontal et radial de surface, l'eau encore faiblement oxygénée absorbe de l'oxygène par contact prolongé avec l'air atmosphérique et redescend du fait du mouvement de convection ainsi créé, vers le fond jusqu'à la surface 32 de la couche de sédiments 31. Par ailleurs, la remontée de l'eau au voisinage de la ligne de bullage 12 engendre une force d'aspiration qui entraîne très lentement la couche d'eau située entre la surface 32 de la couche de sédiments et 31 et le niveau d'injection des microbulles. On peut ainsi observer un mouvement horizontal de l'eau froide oxygénée arrivant de la surface 33, le long de la surface 32 de la couche de sédiments. De cette manière, on produit un mouvement de brassage qui agit sur l'ensemble de l'eau du plan d'eau, sans affecter la couche légère de sédiments, L'eau profonde subit ainsi une double oxygénation, par les bulles d'air comprimé injectées dans l'eau, et surtout par contact atmosphérique. Ce mouvement de brassage supprime les stratifications thermiques et chimiques, et empêche le développement des algues, tout en évitant d'entraîner les sédiments 31. I1 est à noter que l'invention peut être réalisée par toute autre combinaison d'assemblage des deux conduites 12 et 22 et des blocs de lest 23. I1 importe simplement que la conduite de bullage 12 soit maintenue à distance du fond du plan d'eau par la liaison 24. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le renouvellement de la couche d'eau la plus profonde d'un plan d'eau sans entraîner les sédiments, caractérisé en ce qu'il comprend l'injection au moyen d'un aérateur, de très fine bulles d'air comprimé de diamètre inférieur à deux millimètres, à une certaine distance au-dessus de la couche de sédiments. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite injection est effectuée par des conduites (12) maintenues parallèlement à la couche de sédiments. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une canalisation d'aération (12) munie d'une multiplicité de buses d'injection d'air aptes à produire un rideau de bulles d'air comprimé de diamètre inférieur à deux millimètres, cette canalisation étant ancrée dans l'eau à une certaine distance au-dessus de la couche de sédiments 31 du plan d'eau (6), par des éléments de lest (23) répartis le long de la canalisation (12), fixés à celle-ci par des moyens de liaison (24) et reposant au fond du plan d'eau, cette canalisation étant reliée à une source d'air comprimé (1). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la canalisation d'aération (12) présente une masse volumique telle qu'elle a tendance à remonter à la surface de l'eau. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les buses d'injection (15) d'air sont dimensionnées de manière à produire dans l'eau des bulles d'air de très petit diamètre, tout en évitant leur colmatage, et sont réparties le long de la canalisation (12) de manière à tenir compte des pertes de charge. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une canalisation de ballast (22) fixée le long de la canalisation (12), dont le diamètre est calculé en fonction de la masse des éléments de lest (23), de manière à contribuer au lestage de la canalisation (12) lorsqu'elle est remplie d'eau, et permettre la remontée de la canalisation (12) et des éléments de lest (23) lorsqu'elle est remplie d'air au moyen d'une source d'air comprimé. 7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la canalisation (12) est fixée aux éléments de lest (23) par l'intermédiaire de liaisons (24) en une matière souple et imputrescible, dont la longueur est déterminée en fonction de l'épaisseur de la couche de sédiments(31). 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les canalisations d'aération (12) et de ballast (22) sont réalisées en une matière souple.