L'aération hypolimnique : une solution pour lutter contre l'eutrophisation

Les lacs et retenues souffrent dans beaucoup de régions de déséquilibres liés à leur enrichissement en substances nutritives. Les phosphates et nitrates, lessivés dans les bassins versants puis véhiculés par les cours d’eau, se concentrent inéluctablement dans les plans d’eau. Ces derniers deviennent les réceptacles et les amplificateurs de toutes les pollutions générées en amont.

Une telle sur-fertilité communément appelée eutrophisation aboutit à d’importantes proliférations d’algues et de micro-algues en été. Cette dégradation de la qualité des eaux peut avoir de graves conséquences sur les différents usages du plan d’eau, notamment lors de l’apparition de phytoplancton de la famille des Cyanophycées. Ces micro-algues, à l’origine de fleurs d’eau, sont susceptibles de libérer des toxines dans le milieu.

L’eutrophisation est une des formes d’altération des eaux de surface les plus complexes, en effet, son caractère diffus la rend difficile à appréhender. S’il est vrai qu’une telle pollution doit être gérée de façon préventive, notamment en contrôlant les apports de substances nutritives sur le bassin versant.

Cette gestion nécessite une stratégie lourde à mettre en place qui s’appuie non seulement sur des décisions politiques, mais aussi sur des changements radicaux de mentalités. Ainsi les résultats de telles approches voient souvent jour à très long terme.

C’est pourquoi, l’urgence de la réhabilitation de la qualité des ressources

En eau de surface amène à prendre des mesures curatives rapides, directement au sein du lac ou de la retenue. Car limiter les intrants d’un plan d’eau est nécessaire mais insuffisant ; il faut aussi gérer la mémoire des pollutions antérieures. Les sédiments sont la mémoire des plans d’eau ; ils accumulent en effet petit à petit les différents polluants, assurent leur pérennité et les relarguent lorsque les eaux présentent certaines caractéristiques chimiques.

Parmi les techniques curatives, l’aération par destratification et l’aération hypolimnique sont les procédés aujourd’hui reconnus comme les plus naturels pour lutter contre le phénomène d’eutrophisation. Si le principe de la destratification consiste à maintenir la teneur en oxygène tout en brassant l’ensemble de la colonne d’eau (cf. articles L’eau, l’industrie, les nuisances n° 185 pages 37 à 40 et n° 186 pages 60 à 64), l’aération hypolimnique quant à elle assure la seule oxygénation des seules couches profondes (hypolimnion) du plan d’eau. Plus particulièrement destinée aux retenues ou lacs profonds (supérieur à 15 m) présentant une stratification thermique estivale très marquée, cette oxygénation localisée est préconisée lorsque le brassage pourrait être nuisible à l’équilibre de l’écosystème lacustre.

Après avoir très brièvement rappelé l’intérêt primordial que présente l’oxygénation dans la lutte contre le phénomène d’eutrophisation, nous nous attacherons à décrire le procédé et à présenter quelques résultats obtenus sur les installations.

L’anoxie des couches profondes, catalyseur du phénomène d’eutrophisation

Le rôle déterminant des substances nutritives, notamment du phosphore dans le développement de l’eutrophisation est aujourd’hui un principe acquis. L’ensemble de ces substances provient du bassin versant drainé par les affluents. Elles se concentrent dans les eaux, puis s’accumulent à la longue dans le sédiment reposant sur le fond du plan d’eau. L’arrivée massive des nitrates et phosphates (charge externe) aboutit à une forte production primaire lorsque les conditions de l’environnement sont favorables à la croissance algale (ensoleillement, température, etc.). Ces développements importants de la biomasse se traduisent par des blooms estivaux dont les conséquences peuvent être catastrophiques.

Outre les substances nutritives, la stratification thermique estivale joue un rôle essentiel dans l’entretien du phénomène d’eutrophisation. Cet étagement des couches d’eau par strates est une conséquence directe de la différence de densité entre les eaux chaudes de la surface et froides du fond. En effet, la formation d’une thermocline (séparation brutale entre eaux chaudes et froides) en été, isole les couches profondes (hypolimnion) des couches supérieures. Le brassage naturel des eaux est donc stoppé. La matière organique provenant de la mortalité des algues parvient toutefois à sédimenter.

ter dans le fond. Sa minéralisation consomme l’oxygène disponible dans ce compartiment, diminuant progressivement le potentiel redox à l’interface eau/sédiment. Il s’ensuit de nombreux phénomènes de fermentation.

Une telle diminution du potentiel redox de la frange eau/sédiment a plusieurs conséquences sur le fonctionnement de l’écosystème lacustre :

• Le milieu devenu réducteur, la nitrification est bloquée. Il y a donc formation d’ammoniaque, celle-ci pouvant être associée à la formation d’hydrogène sulfureux et de méthane.
• Le fer et le manganèse initialement complexés sous forme d’hydroxydes précipités dans le sédiment sont redissous dans l’hypolimnion.
• Les orthophosphates en partie combinés au fer ou au manganèse sont remis en solution (charge interne du plan d’eau) et contribuent à l’entretien de la croissance algale et donc au phénomène d’eutrophisation. Ces apports nutritifs « internes » complémentaires sont d’autant plus importants qu’ils sont très rapidement mobilisables par les algues.
• La raréfaction de l’oxygène dans les couches profondes et l’accumulation de substances toxiques provoquent l’appauvrissement puis la disparition de la faune benthique.

Quelles sont les conséquences de l’eutrophisation des réservoirs d’eau dans le traitement des eaux potables ?

L’anoxie des couches profondes apparaît pendant la période de stabilité thermique du plan d’eau, généralement d’avril à octobre. C’est au cours de ces sept mois que se forme la thermocline et que l’hypolimnion s’isole des couches supérieures. Le printemps et l’été correspondent à la période de forte production primaire ; l’oxygène y est consommé très rapidement. L’eau brute des lacs eutrophes est alors de mauvaise qualité à toutes les profondeurs :

• Les eaux profondes (hypolimnion) sont généralement anoxiques avec de fortes concentrations en composés aussi indésirables que le fer, le manganèse, l’ammoniaque, et parfois même l’hydrogène sulfureux. Par ailleurs, elles peuvent présenter une turbidité importante.
• Les eaux de surface (épilimnion) sont riches en matières organiques et très turbides, ont un pH très variable au cours de la journée (dans une plage alcaline de 7 à 10) et contiennent des cyanobactéries toxiques, des algues filamenteuses ou du nanoplancton.
• Quant aux couches intermédiaires (métalimnion), elles combinent de façon totalement aléatoire les inconvénients des deux précédentes. Cette variabilité nécessite un contrôle très fin de la prise d’eau brute et impose un ajustement permanent des réactifs.

L’eau brute des retenues eutrophes conduit l’exploitant à faire face à de nombreuses contraintes qui souvent pourraient être allégées, voire évitées, si certaines des causes, telles que l’anoxie des couches profondes, étaient totalement supprimées. Ces difficultés sont les suivantes :

• Le colmatage prématuré des filtres en raison de l’accroissement des matières en suspension (notamment du phytoplancton), entraînant une surconsommation d’eau de lavage et une augmentation de la production de boues,
• L’obligation de pousser les traitements de déferrisation et de démanganisation, voire de prendre en compte la

Réaération hypolimnique

présence d’H₂S et de NH₄⁺,

• - L’obligation d’ajuster sans cesse le dosage de réactifs et le pH de floculation, notamment en début d’automne lorsque les eaux de fond se mélangent naturellement avec les eaux de surface,
• - Une surveillance constante de l’eau brute, notamment lorsqu’elle est prélevée grâce à une prise d’eau à niveaux variables. Ces prises d’eau, souvent préconisées pour contourner les problèmes liés à l’eutrophisation des retenues n’affranchissent pas l’exploitant de ces contraintes.
• - Les problèmes liés à la chloration (break point élevé, apparition de chloramines),
• - Le risque d’apparition de toxines lors du pompage d’une eau contenant des Cyanobactéries (par simple éclatement de celles-ci) nécessitant un traitement au charbon actif,
• - Le risque de recroissance des germes bactériens dans les réseaux de distribution d’eau potable,
• - Le risque d’odeur et de mauvais goût dans l’eau distribuée si la filière ne comporte pas de traitement à l’ozone, ou au charbon actif,

L’eutrophisation a donc pour conséquences un accroissement des frais d’investissement et de fonctionnement des stations de traitement (réactifs, charbon actif, ozonisation, surveillance…), une perte accrue en eau (lavage des filtres…) et présente un risque sur la qualité organoleptique de l’eau distribuée.

L’oxygénation des couches d’eau profondes, une solution au problème

Comme nous l’avons vu précédemment l’anoxie liée à la stratification tient une grande part dans l’entretien du phénomène d’eutrophisation.

Le seul moyen de limiter les relargages liés à la charge interne du plan d’eau est de maintenir le potentiel redox élevé à l’interface eau/sédiment. Deux solutions peuvent être envisagées :

• - rétablir les échanges entre les couches en surface et les couches du fond en cassant la stratification,
• - transférer directement l’oxygène in situ dans l’hypolimnion.

Lorsque la stratification estivale est très marquée, notamment dans les retenues profondes, il serait aberrant de vouloir la supprimer, ce pour deux raisons essentielles :

• - Un brassage de la colonne d’eau pourrait perturber le milieu, et plus particulièrement gêner le fonctionnement de l’écosystème. En effet dans certains lacs profonds, tout comme il existe des stratifications physiques et chimiques, il existe une stratification biologique avec une faune et une flore étagées et adaptées aux différentes profondeurs du lac.
• - D’autre part, casser une stratification souvent supérieure à 10 °C nécessiterait une énergie trop importante. Un tel système ne serait plus économiquement rentable.

Une oxygénation localisée dans les seules couches profondes permet donc de contourner ce type de problème. De fait elle permet :

• - de diminuer les concentrations en fer et en manganèse de l’eau brute (qui restent précipités dans les sédiments) et évite dans tous les cas l’apparition de « pics » de concentration intempestifs,
• - de garantir une faible teneur en ammoniaque,
• - de supprimer en presque totalité le relargage du phosphore à partir des sédiments sous forme de complexes solubles,
• - d’accélérer la minéralisation des matières organiques.

Les bénéfices d’une aération des couches d’eau profondes des retenues se retrouvent directement au niveau de

Les exploitations des stations de potabilisation. On peut ainsi constater :

- une qualité d’eau brute stable tout au long de l’année,

- une diminution considérable de la consommation de réactifs et d’eau de lavage des filtres,

- un risque moindre de flottation des boues dans les décanteurs par dégazage,

- et enfin, une meilleure efficacité de la chloration.

L’aération hypolimnique utilise l’air comprimé :

Cette technique nécessite uniquement un compresseur de puissance relativement réduite (11 à 45 kW) disposé sur la rive et ne requiert donc pour son fonctionnement que la seule alimentation électrique. Toutefois, lorsque les conditions du plan d’eau sont critiques (DBO et DCO importantes), un tel système peut être « boosté » à l’oxygène pur (procédé LIMNOX®) par enrichissement de l’air comprimé ou de diffusion directe dans un deuxième diffuseur.

L’aération hypolimnique (procédé LIMNO®)

Principe de l’aérateur hypolimnique

Le principe de l’aération hypolimnique par injection d’air comprimé est présenté sur le schéma ci-contre :

Ce procédé consiste à aspirer l’eau anoxique de la couche profonde du lac par effet d’air lift, à l’oxygéner, puis à la renvoyer dans l’hypolimnion (sans destratification).

Pour ce faire, un diffuseur (1), alimenté depuis la rive par un compresseur, est disposé à la base d’une cloche verticale immergée à 1,50 m au-dessus du fond du plan d’eau. Cette cloche en matériau souple de 10 m de hauteur (appelée LIMNO®) présente une cheminée centrale (3) dans laquelle l’eau est simultanément pompée par air lift et aérée au contact des bulles d’air. L’eau aérée redescend ensuite par la double paroi de l’appareil puis est refoulée au fond, horizontalement, à la profondeur de prélèvement, grâce à des tuyères (4). Il faut noter que la vitesse d’éjection au travers des tuyères de sortie est calculée de telle sorte qu’il n’y ait aucun risque de recyclage de l’eau aérée. L’air en excès s’échappe par un évent (5) qui relie l’aérateur à la surface.

Un diffuseur d’air secondaire peut éventuellement être placé juste en amont des tuyères de sortie. Les bulles d’air remontent alors lentement le courant d’eau descendant par la double paroi de l’aérateur. Dans ce cas, le débit d’eau est calculé pour être inférieur à la vitesse de remontée des bulles d’air. Ce procédé, lui aussi breveté, augmente de 30 % la capacité d’oxygénation du LIMNO®.

Ce deuxième diffuseur peut aussi être alimenté par de l’oxygène pur (LIMNOX®), lorsque les carences du plan d’eau en oxygène sont spécialement critiques.

Ces techniques sont utilisées pour des lacs et retenues dont la profondeur est supérieure à 15-20 m.

Des efforts se portent actuellement sur l’amélioration du rendement d’oxygénation du LIMNO®, notamment au niveau de son rayon d’action qui peut atteindre plusieurs centaines de mètres.

Il existe également une version rigide en polyester armé. Cet appareil, de plus petite taille, s’adapte particulièrement bien à des plans peu étendus mais de profondeur supérieure à 6 m. Il présente l’avantage de tolérer d’importantes variations de débit d’air. Ainsi, avec un tel aérateur hypolimnique, il est dorénavant possible d’adapter très finement le débit d’air envoyé à la demande réelle en oxygène du plan d’eau.

Fonctionnement

Chaque aérateur est calculé pour permettre d’atteindre une teneur en oxygène dissous dans l’hypolimnion de plus de 3 mg/l dans un rayon supérieur à 500 m. Ce seuil correspond à la

Teneur au dessus de laquelle le sédiment ne relargue plus les composés comme le fer, le manganèse et les orthophosphates.

Le rendement d’oxygénation moyen de l’aérateur hypolimnique est fonction de la profondeur, de la température de l'eau et de son niveau de saturation en oxygène. Il dépasse 1 kg d’oxygène transféré par kWh fourni.

Cette capacité d’oxygénation est associée à un effet de pompage de l'eau par air lift, propre à l’appareil qui peut atteindre pour le LIMNO® 30-52-100 (5 m de diamètre et 10 m de hauteur) un débit de 11 000 m³/h d’eau aérée avec un compresseur de 45 kW.

La réalisation des équipements immergés (alimentation, aérateur) en matériaux exclusivement synthétiques (évitant toute corrosion) et l'absence de toutes pièces mobiles constituent des avantages importants pour l’exploitation des installations.

Le procédé LIMNO® fait l'objet à ce jour de plus de 70 installations dans le monde, la dernière a été réalisée en 1995 à BORNSJON pour le compte de la ville de STOCKHOLM.

Comme il est démontré dans le chapitre suivant, le fonctionnement de l’aération hypolimnique aboutit à une très forte augmentation de l’oxygène dans l'hypolimnion du plan d’eau sans rupture de sa stratification estivale.

Quelques résultats

Il s’agit des résultats obtenus sur quelques installations d’aérations hypolimniques réalisées par Aqua Technique.

Résultats sur la qualité des plans d’eau : Ennepe talsperre (Allemagne)

Ce plan d’eau artificiel de près de 100 ha et 13 Mm³ alimente plusieurs agglomérations allemandes en eau potable et en eau industrielle. Outre l’alimentation en eau, la vocation de cette retenue est aussi de produire de l’énergie hydroélectrique et d’assurer un soutien d’étiage à la rivière Ennepe.

Ce lac de 33 m de profondeur maximale était hypereutrophe au début des années 1970 avec anoxie hypolimnique et présentait des pics de fer et manganèse nuisibles à l’alimentation en eau potable.

Une politique de limitation des flux de phosphore entrant dans le lac a été mise en place. Celle-ci s’avérant insuffisante pour limiter l'eutrophisation du plan d’eau et ses conséquences, il fut décidé en 1976 et 1981 d’installer 2 aérateurs hypolimniques dans la partie aval du lac à 75 m et 220 m de la prise d’eau. Cette aération hypolimnique a pleinement atteint ses objectifs, à savoir :

• oxygéner les eaux du fond de la retenue,
• limiter les pics de concentrations en fer et manganèse,
• ne pas destratifier les eaux du lac en juillet-août afin de garantir au droit de la prise d’eau une eau au pH stable, à faible biomasse algale et à température modérée.

Les résultats obtenus sont illustrés par les figures 1 à 4.

L'aérateur hypolimnique empêche l’anoxie constatée les années précédentes (figure 1). Les LIMNO® se trouvant à proximité de la prise d'eau (figures 2 et 3), les eaux prélevées présentent des teneurs inférieures en fer et manganèse lorsque l'appareil fonctionne.

D’autre part, la figure 4 appelle les commentaires particuliers suivants :

• On peut constater que la stratification thermique s’érode progressivement au cours des mois d’août et septembre. Cette érosion naturelle est une conséquence directe du vent qui entraîne un approfondissement progressif de la thermocline.
• Lors de son fonctionnement, le LIMNO® assure une concentration en oxygène dissous minimum de 3 mg/l.

Aération du lac de Gross Glienicker See

Lui aussi situé en Allemagne, le lac de Gross Glienicker See alimente en eau potable la ville de Berlin. Ce plan d’eau s’étend sur une surface de 67 ha pour une profondeur maximale de 10,75 m. L’eutrophisation extrême, constatée pendant de nombreuses années, posait de sérieux problèmes à la filière de potabilisation. En 1992, le traitement du lac a consisté en l'installation de 4 aérateurs. Les résultats (des moyennes estivales) obtenus mettent en évidence les points suivants :

• L’aération hypolimnique maintient une concentration en oxygène dissous suffisante pour bloquer les relargages d’orthophosphates et ainsi limiter la concentration en phosphore total (figures 6 et 7).
• La baisse consécutive de la biomasse algale (teneur en chlorophylle a diminue comme le montre la figure 8) permet de stabiliser facilement le pH des eaux à traiter (figure 9) et de limiter la turbidité des eaux (figure 10). Elle s’accompagne également d’une diminution importante de la production primaire, ce qui a pour effet de limiter la sursaturation en oxygène dissous au sein de l’épilimnion (figure 5).

Répartition spatiale de l’oxygénation (Munksjon – Suède)

La répartition spatiale de l’oxygénation

La portée de l’aérateur a particulièrement bien été étudiée sur un appareil installé en 1991 à Munksjon en Suède. Ce lac, très pollué par une papeterie, alimente la commune de Jonkoping en eau potable. Un aérateur a été installé à proximité de la station de potabilisation par 15 m de fond.

À la lumière de mesures effectuées au cours de l'été 1996 (cf. figure n° 11), il a pu être constaté que l'effet de l’aérateur hypolimnique était perceptible, pendant toute la saison, sur un rayon de plus de 600 m autour de l’appareil. D’un point de vue plus général, l’influence de l'appareil est toutefois variable en fonction de la bathymétrie du plan d’eau et des courants de fond dans l'hypolimnion.

Amélioration de la filière de potabilisation (Hodgson Lake - USA)

Ce plan d’eau d’une capacité de 5,5 Mm³ et de 71 ha a une profondeur maximale de 16,5 m. Cette retenue est plus particulièrement destinée à l'alimentation en eau potable. Les eaux brutes de mauvaise qualité étaient l’objet de périodes anoxiques avec relargage de fer et de manganèse. Un aérateur hypolimnique a été installé fin 1989 dans la zone la plus profonde du lac.

Celui-ci a rétabli dès 1990 une eau de qualité correcte. En conséquence, la consommation de réactifs a pu être grandement limitée.

C’est par exemple le cas du permanganate de potassium, plus particulièrement destiné à éliminer le manganèse, et dont la consommation a été réduite des deux tiers entre 1989 et 1990. Pendant le même temps les consommations de charbon actif en poudre ont diminué de 15 % (figure n° 12).

Conclusions

Bien que l’aération hypolimnique ne soit pas une technique très employée en France, ce procédé a déjà fait ses preuves dans de nombreux pays (Suède, Allemagne, USA, etc.). Ces pays, sensibles depuis toujours à l’environnement, ont su voir dans cette technique un moyen de préserver la qualité de leurs ressources en eau. Aussi l’aérateur hypolimnique est-il de plus en plus préconisé, après étude du bassin versant et du plan d’eau, comme pré-traitement en amont des stations de potabilisation.

L’oxygénation de l’interface eau/sédiment a un effet direct sur la qualité générale de l’eau brute.

Elle évite notamment les relargages de fer, de manganèse et d’orthophosphate et évite les fermentations qui sont à l'origine de composés comme l'ammoniaque, le méthane ou le H₂S.

Ces composés absents de l'eau brute, le traiteur d'eau peut s’attendre à une exploitation aisée de l’usine de potabilisation et à une meilleure qualité de l'eau traitée, notamment quant à ses caractéristiques organoleptiques.