par Ingénieur ENSTIM ATLAS COPCO FRANCE
Maintenir l'équilibre écologique devient le problème essentiel de notre civilisation. Un des facteurs primordiaux de cet équilibre est l'eau.
Au cours de ce dernier été, très sec, l'opinion publique a été sensibilisée à toutes les manifestations de pollution des eaux souterraines ou superficielles.
La quantité importante de déchets produite par notre société tend à saturer les capacités de digestion naturelle des masses d'eau actives.
Ce phénomène prend des proportions de plus en plus inquiétantes risquant de mettre en danger les populations.
Pour mieux représenter ces effets, prenons le cas des lacs :
L'EUTROPHISATION DES LACS
Lorsque les apports de matière organique provenant de l'activité humaine deviennent trop importants, la transparence diminue, certaines algues et d'autres organismes végétaux prolifèrent, des contaminations bactériologiques apparaissent. Ces phénomènes conduisent très rapidement à un état eutrophe. Le processus d'évolution est appelé eutrophisation, qui signifie « bien nourri ».
Il se produit toujours une eutrophisation naturelle provoquée par les apports des eaux de ruissellement du bassin versant. Mais celle-ci est imperceptible et n'altère jamais l'équilibre des lacs.
Par contre, ce phénomène accentué par l’apport des eaux usées déclenche le processus suivant :
• Production d’algues donc, par photosynthèse, production de O₂ ; en conséquence, saturation en O₂ des eaux de surface et absorption de plus en plus grande de O₂ dans les eaux profondes pour la décomposition des organismes morts. • La teneur en O₂ des eaux profondes décroît très rapidement. Les espèces nobles de poissons disparaissent. La minéralisation des substances nutritives s'arrête. Des fermentations anaérobies apparaissent avec dégagement d'odeurs putricides. • Les eaux deviennent troubles, verdâtres et on assiste à la mort du lac : c'est l'état eutrophe.
Nous rencontrons de moins en moins, et c'est regrettable, des lacs à l'état oligotrophe. Leurs eaux sont pauvres en éléments nutritifs, mais riches en oxygène, ce qui explique la prolifération dans les eaux profondes des espèces nobles de poissons comme les corégones (lavaret, fera, de la famille des Salmonidés).
Le phénomène d’oxydo-réduction, tant que les apports chimiques dissous ne dépassent pas une demande de O₂ supérieure à la teneur des eaux, maintient l'équilibre naturel. L'oxydo-réduction permet la minéralisation des substances nutritives.
LES LACS MEURENT FAUTE DE RÉOXYGÉNATION
Les scientifiques, conscients des risques que fait encourir la pollution à notre civilisation, ont recherché les procédés de réoxygénation susceptibles d'apporter un remède aux graves situations constatées en divers lieux.
L'AIR COMPRIMÉ EST UNE DES MEILLEURES POSSIBILITÉS D'OXYGÉNATION
Les techniques à base d’air comprimé permettent en effet de lutter contre la pollution des lacs et des rivières. Elles ont fait l'objet de réalisations industrielles, notamment avec les procédés suivants :
• La réoxygénation par rideau de bulles d’air comprimé. • La réoxygénation des lacs et des rivières par le procédé LIMNO (*).
(*) Marque déposée internationalement par ATLAS COPCO A.B.
L’exposé technique sera largement étayé d’exemples concrets d’applications et notamment un projet de réoxygénation de la Seine par des rideaux de bulles d’air comprimé.
Auparavant, faisons un rappel des notions de base concernant : l’eau, l’oxygène et la vie aquatique, l’aération et la technique des bulles d’air comprimé.
L’OXYGÈNE ET LA VIE AQUATIQUE
• L’EAU
L’eau est le produit de la combinaison de l’hydrogène et de l’oxygène naturel, elle inclut la combinaison réciproque de deux séries d’isotopes :
¹₁—H ¹₆O ²₁—D et ¹₇O ³₁—T ¹₈O
En fait le nombre de molécules se réduit à H₂O, D₂O et HDO.
L’eau est un liquide dipôle. Sa représentation se fait sous un modèle triangulaire (fig. 1).
L’angle des liaisons O-H est de 105° à cause de l’électronégativité de l’oxygène. La distance de l’atome d’oxygène à l’axe des atomes H⁺ est de 0,62 Å.
• L’OXYGÈNE
Les organismes vivants peuvent se diviser en deux branches, suivant leur activité cellulaire : les autotrophes et les hétérotrophes.
Les cellules autotrophes absorbent l’énergie du milieu extérieur (énergie lumineuse, chimique) pour fabriquer des substances nutritives. Les cellules hétérotrophes (animaux, champignons, bactéries) utilisent des substances nutritives fabriquées par les cellules autotrophes et les oxydes.
Le métabolisme cellulaire peut donc se ramener à deux phénomènes essentiels : la photosynthèse et l’oxydo-réduction.
— Le premier phénomène, la photosynthèse produit de l’oxygène et le second, l’oxydo-réduction est consommateur d’oxygène.
LA PHOTOSYNTHÈSE
C’est la réaction globale type :
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ — 650 cal
de la fabrication des glucides par les végétaux avec le CO₂ de l’atmosphère, l’eau de la sève et l’énergie solaire en présence de chlorophylle.
Cycle de l’oxygène dans la nature
Ce cycle peut être illustré par la figure 2.
L’oxygène dans l’eau des rivières et des lacs
Le taux d’oxygène contenu dans les eaux de rivières et de lacs est l’un des plus importants facteurs de leur qualité.
L’oxygène conditionne la vie animale ; il faut plus de 5 mg/l d’oxygène dissous pour assurer une vie piscicole normale avec reproduction. Au-dessous de 2 mg/l le maintien de la vie piscicole est aléatoire et aucune reproduction n’est possible.
L’oxygène est la source d’oxydation pour la décomposition et la minéralisation des matières organiques. Dans le cas des eaux usées, l’oxydation totale du glucose selon la formule
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ = 6 CO₂ + 6 H₂O + 650 cal
montre que pour 180 g de glucose il faudra fournir 6 × 32 = 192 g d’oxygène.
L’oxygène représente 25 % des atomes des matières vivantes.
Facteurs influant la solubilité de l’oxygène dans l’eau
La solubilité de l’oxygène obéit aux lois de Henry.
V = α C P
La quantité de gaz dissous est fonction du coefficient de solubilité (0,038 à 10° pur O₂) propre au gaz, de la concentration C dans la phase gazeuse, de la pression P en contact avec l’eau.
On exprime la solubilité S en kg par mètre cube d’eau par :
S = α M · P₁
α = coefficient d’absorption du gaz par le liquide (voir fig. 3) qui décroît en fonction de la température M = masse volumique du gaz en kg/m³, pour O₂ = 1,429 dans l’air P₁ = pression partielle du gaz sur le liquide, pour O₂ = 0,209 atmosphérique
La figure 4 montre la solubilité en mg/l de l’oxygène de l’air dans l'eau pure en fonction de la pression et de la température.
● INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE
Les variations de température influencent tous les processus biologiques, une augmentation de température accélérant les réactions.
En milieu aérobie, la température agit en sens inverse pour la dissolution d'O₂ dans l'eau.
L'AÉRATION PROVOQUÉE
Pour combattre les déplorables effets de la déficience en oxygène dans les eaux des lacs et des rivières, il est possible d'apporter un remède direct : l’introduction d’oxygène dans les masses d’eaux.
Pour créer cet apport, on peut penser introduire de l'oxygène pur, mais il est préférable de reproduire le phénomène naturel d’aération car il ne produira aucun effet secondaire néfaste pour la vie aquatique.
Dans l'aération, l'apport de O₂ à l'eau se fait par contact intime entre l'air et l'eau au niveau de l'interface des deux fluides. La couche monomoléculaire se sature en O₂ et il se crée une diffusion gazeuse vers les couches périphériques.
La diffusion est exprimée par la loi de Fick :
dm/dt = A K_L dc/dt dm : quantité de substance qui diffuse dt : temps de diffusion A : interface dc/dt : quotient de diffusion A K_L : coefficient de transfert qui est fonction de la nature de l'eau, de la forme du réacteur et du procédé d’aération employé.
dc/dt = 11,25 · 1/(t₁ – t₀) · Log [(Cs – Co)/(Cs – Ct)] · √(K₁₀/Kθ) (1)
Cs : teneur O₂ à saturation Co : teneur O₂ en début d'aération Ct : teneur O₂ au bout d'un temps d'aération t K₁₀, Kθ : coefficient de diffusion à 10 °C et θ °C 11,25 : saturation O₂ à 10 °C t₁ – t₀ : durée de l'aération en heure
● CAPACITÉ D’OXYGÉNATION : C.O.
Cette notion permet de mesurer l'efficacité du système d'aération ; elle représente la quantité d’O₂ fournie à l'eau pure en une heure à 10 °C, 760 mm Hg à teneur de O₂ constante et nulle.
C.O. = dc/dt en g/m³/h
La capacité d’oxygénation dépend : • de la valeur A • du gradient de O₂ entre l'air et l'eau • du temps de diffusion de l'O₂
● MÉTHODES D'AÉRATION
Comme nous l'avons déjà mentionné, les processus d'aération qui ne risquent pas de créer d'effets secondaires difficilement maîtrisables sont ceux reproduisant des phénomènes naturels.
Deux procédés sont utilisés actuellement : — les aérateurs par injection d'air, — les aérateurs de surface (hélices, aubes, pales, etc.).
Les aérateurs de surface, qui ne sont pas notre propos, créent des remous par brassage permettant d'augmenter les échanges air atmosphérique-eau.
Leur plage d'utilisation correspond à des eaux peu profondes. Les puissances installées deviennent très importantes lorsqu'on traite de grandes masses d'eau. Leur capacité d'oxygénation et leur rendement en kg O₂/kWh sont en général inférieurs à ceux obtenus par injection d'air. De plus, ils constituent une gêne non négligeable pour la navigation, les sports nautiques et les loisirs aquatiques.
Il faut signaler qu'il existe également un procédé, en cours d'expérimentation, qui consiste à introduire directement de l'oxygène dans l'eau. Deux méthodes sont retenues :
— Introduction de O₂ directement au fond des eaux (les expériences dans ce sens tendent à être abandonnées vu les graves perturbations créées dans le milieu aquatique). — Oxygénation de l'eau par passage dans un bassin d’oxygénation. On transporte l'eau à traiter jusqu’à un bassin de réoxygénation ; ensuite on rejette l'eau traitée au niveau de pompage.
Le second procédé n’est encore qu'au stade expérimental mais il soulève certaines polémiques, notamment autour d'un avant-projet de réoxygénation des eaux du lac Léman.
Nous n’aborderons pas ce procédé du fait qu'il n’a jamais été utilisé à l'échelle industrielle, pour de telles applications.
● AÉRATION PAR INJECTION D’AIR COMPRIMÉ
Deux principales méthodes d'aération par injection d'air comprimé sont utilisées : l'aération totale de la masse d'eau et l'aération de couche.
Aération totale.
Cette méthode est applicable dans les eaux de faible profondeur (jusqu'à 15 m environ) qui ne présentent pas de stratifications, rivières, lacs peu profonds, bassins, etc.
TEMPÉRATURE DES LACS SUIVANT LA SAISON
Elle consiste à injecter au fond de l'eau des bulles d'air comprimé qui créent deux processus :
— remontée des eaux profondes en surface et aération de celles-ci par contact avec l'atmosphère ;
— échange d'oxygène pendant le trajet des bulles d'air.
Au cours de ces deux phases l'oxygène se dissout dans la masse d'eau suivant les procédés décrits dans les paragraphes précédents.
L'aération totale nécessite un investissement peu coûteux et assure une bonne capacité d'oxygénation (2 kg O₂/kWh). Ce procédé connaît déjà des applications à l'étranger.
Les lacs profonds présentent des stratifications thermiques suivant les périodes de l'année (fig. 5).
Aération de couche.
Au printemps et en automne, les masses d'eau circulent à l'intérieur des lacs et créent un équilibre thermique.
L'été et l'hiver sont deux périodes de stagnation, et l'on constate une stratification. La couche supérieure en liaison avec l'atmosphère est nommée épilimnion ; la couche inférieure (hypolimnion) ne procède à aucun échange.
Ces deux couches, épilimnion et hypolimnion, sont séparées par une strate dans laquelle la température décroît avec la profondeur (couche de faible hauteur nommée métalimnion).
Il importe avant tout de conserver cette stratification et de ne pas détruire l'équilibre thermique du lac.
Or, l'hypolimnion qui doit « digérer » toutes les matières organiques a tendance à s'appauvrir en O₂. La seule solution pour maintenir une teneur de O₂ acceptable est donc de dissoudre de l'O₂ au niveau de l'hypolimnion sans créer d'échange entre les deux strates.
Pour répondre à cette contrainte, un procédé a été imaginé et mis en application par la société Atlas Copco sous la désignation de système Limno.
Plusieurs dizaines d'installations Limno fonctionnent actuellement en Suède, U.S.A., Allemagne, Italie, les plus anciennes depuis plus de cinq ans, et donnent des résultats très satisfaisants.
LA TECHNIQUE DES BULLES D'AIR COMPRIMÉ
Une barrière de bulles d'air comprimé est constituée de tubes immergés, percés de trous, et alimentés en air comprimé. L'air est libéré par les trous et les bulles qui s'en échappent créent une circulation de l'eau en remontant à la surface (fig. 6).
L'installation complète comprend une station de compression d'air, un réseau de tubes et un système de régulation.
L'utilisation de barrières de bulles d'air comprimé est déjà consacrée depuis plusieurs dizaines d'années et connaît des applications variées :
• arrêt des nappes de pétrole déversées sur l'eau (la première application remonte à 1930) ;
• oxygénation des masses d'eau, en créant des échanges de O₂ entre les bulles d'air et l'eau et en remontant les eaux profondes en surface ;
• protection des estuaires et des écluses contre la pénétration des eaux salées ;
• protection contre la prise en glace des ports et des voies navigables ;
• confection de brise-lames ;
• réduction des ondes de choc lors de tirs sous-marins ;
• construction de barrières pour l'élimination des débris flottants.
Vitesse des bulles dans l'eau
Vitesse finale en cm/s
| 0,01 | 0,05 | 0,1 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 4,0 |
| rayon des bulles |
• VITESSE DE REMONTÉE DES BULLES D’AIR COMPRIMÉ DANS L'EAU
La connaissance du mécanisme du mouvement des bulles est indispensable pour déterminer le champ d’application et prévoir les performances des équipements. L'équation générale du mouvement d'un corps est donnée par :
Résistance + Pression + Poids = (masse + masse additive) × Accélération
La résistance des bulles est une fonction complexe de leur géométrie, de la vitesse et des propriétés physiques du milieu. Leur forme est fonction de l'hydrodynamique, de la viscosité et des forces interfaciales exercées.
Les résultats d’expériences ont permis de construire la courbe (fig. 7) qui donne la vitesse finale des bulles dans de l'eau filtrée en fonction de leur rayon équivalent.
La forme du mouvement des bulles dans un fluide peut être prédéterminée avec la connaissance du coefficient Re.
Re = 2 U oν / Vν (suivant HABERMAN et MORTON) oν = paramètre caractérisant la longueur des bulles U = vitesse des bulles Vν = viscosité cinématique du liquide
pour Re < 300 — trajectoire rectiligne 300 < Re < 3000 — trajectoire elliptique Re > 3000 — trajectoire rectiligne, coupée de rotations
• FORMATION DES BULLES D'AIR COMPRIMÉ DANS L’EAU (fig. 8)
Avec une faible quantité d’air, étant de formes semblables, les bulles sont uniformément espacées. Leur volume est fonction du diamètre du trou et presque indépendant du débit.
Pour un débit moyen, la partie inférieure des bulles devient plate et la partie supérieure prend une forme qui se rapproche d'une parabole.
Les bulles se regroupent par paire, quand la bulle inférieure rejoint la bulle supérieure.
Quand le débit est important, les bulles se regroupent presque immédiatement à la sortie du trou. La complexité de leur formation croît avec l'augmentation du débit.
Les observations données ci-dessus ne concernent que les bulles fournies à partir d'un simple orifice. Dans le cas de barrières de bulles, où les tubes comportent évidemment un grand nombre de trous, l'étude de la nappe de bulles devient bien plus complexe.
Cependant, la vitesse terminale des bulles d’air au voisinage de la surface varie très peu lorsque le rayon équivalent est compris entre 1,5 mm et 10 mm (fig. 7).
Cette plage correspond aux valeurs normales retenues dans la pratique qui conditionne le diamètre des trous et le débit.
Ainsi, le courant horizontal avoisine 0,25 m/s, ce qui correspond à une vitesse normale de remontée des bulles.
• HYDRODYNAMIQUE DES BARRIÈRES PNEUMATIQUES DANS UNE EAU CALME
L'injection d'air dans une masse d'eau au travers d'un tube perforé forme une nappe de mélange air-eau de densité inférieure à l’eau environnante (fig. 9). Cette différence de densité provoque la remontée du mélange vers la surface. Le courant se crée par frottement de la masse de mélange contre l'eau environnante.
L'air s'échappe à la surface de l'eau. L’eau est rejetée de part et d'autre de la nappe et engendre un courant de surface.
Les expériences réalisées à des profondeurs de 10 mètres ont montré que le courant de surface s'établit sur un quart de la profondeur ; le courant maximum (U max.) étant en surface.
La somme des courants élémentaires ascendants U de l'eau dans le mélange et la concentration C de l'air obéissent à la fonction de Gauss.
L'expérience a montré que :
Umax = 1,2 (g Q0) ¹/³ (1)
La relation (1) est figurée sur le graphique (fig. 10) obtenu suite aux expériences réalisées tant en modèle réduit qu’en grande échelle par BULSON, ABRAHAM et BURGH, DELFT, ATLAS COPCO et SJOBERG.
Les résultats obtenus par STEHR présentent un écart important avec ceux des précédents.
Il faut noter que la vitesse du courant de surface engendré en fonction des profondeurs varie peu et qu'elle n'est pas un paramètre prépondérant pour les applications courantes.
L'une des plus utilisées (jusqu'à 30 m de profondeur). Sa vitesse est fonction de la distance à l'axe de la barrière (fig. 11). La vitesse maximum est obtenue à une distance comprise entre 0,3 et 0,6 h (h étant la profondeur).
REOXYGÉNATION EN FAIBLE PROFONDEUR PAR RIDEAU DE BULLES D'AIR COMPRIMÉ
Ce système provoque une aération totale. Il crée le transfert de O₂ dans l'eau par échange entre bulles d'air-eau, et remonte les eaux profondes en surface. Celles-ci sont réoxygénées par contact avec l'atmosphère. Ce procédé est applicable pour les masses d'eau de faible profondeur (10 à 15 m environ).
La réoxygénation par rideaux de bulles d'air comprimé a fait l'objet de nombreuses applications. Une vingtaine d'installations de réoxygénation de lacs doivent fonctionner dans le monde.
[Figure : Courant de surface par rapport à la distance de la barrière à bulles.]La plus caractéristique, à notre avis, est la réoxygénation du lac de Tunis où 8 000 m de rideaux de bulles d'air ont été installés en 1975. Le débit d'air utilisé est de 25 m³/min.
Cette méthode, déjà ancienne, a été appliquée d'une manière très empirique dès avant les années 1960. Depuis lors, grâce aux progrès réalisés dans les méthodes de calcul des paramètres tant en Europe qu'aux États-Unis et au Japon, on peut appréhender avec précision les dimensions de toute installation de rideaux de bulles et prévoir son rendement avec un minimum de tolérance.
DESCRIPTION D'UN RIDEAU DE BULLES D'AIR COMPRIMÉ
Un rideau de bulles d'air comprimé comprend :
- — un ou plusieurs tubes immergés, ancrés au fond de l'eau, percés de trous espacés de manière à obtenir une perte de charge constante le long du tube ;
- — une station de compression pour l'alimentation en air comprimé des tubes ;
- — un système de régulation permettant l'application du programme de fonctionnement.
Le fonctionnement mécanique du rideau de bulles d'air comprimé a été décrit précédemment dans notre étude au paragraphe « La technique des bulles d'air comprimé ».
Quant aux effets chimiques, ils suivent les processus décrits dans notre paragraphe précédent « Aération ».
Le principe général de fonctionnement est présenté à la figure n° 12.
DIMENSIONNEMENT DE L'INSTALLATION
Le problème de réoxygénation d'un lac ou d'une rivière nécessite la connaissance préalable du milieu, ce milieu étant constitué (d'une manière schématique) par une masse d'eau, avec en profondeur, un dépôt de matières en décomposition formant des boues. Celles-ci sont également avides d'oxygène. La demande globale d'oxygène se constitue donc de la demande en O₂ de l'eau additionnée à la consommation en O₂ des boues. L'estimation de la consommation en O₂ des boues reste un point délicat.
D'autres paramètres propres au milieu environnant entrent dans le calcul tels les courants, les vents, la pression atmosphérique, etc. Ces paramètres (environ 40, dont température, transparence, courants, couleur de l'eau, conductibilité, alca-
PRINCIPE D’OXYGÉNATION PAR RIDEAU À BULLES D’AIR
salinité, pH, DBO, DCO, oxygène dissous, hydrogène sulfureux, phosphore, azote, manganèse, silicium, fer, plancton, phytoplancton, zooplancton, etc., doivent être suivis sur une période suffisamment longue pour pouvoir établir, d'une part, les moyennes (par exemple annuelles), d'autre part, un cycle type.
Après la période d'observation pendant laquelle on détermine les paramètres du milieu, on peut calculer le débit d’air nécessaire de façon à optimiser le rapport :
surface de contact air-eau / volume d'eau = G
qui conditionne le rendement de l'installation.
L'application des lois de diffusion gazeuse et la connaissance des courants créés permettent de déterminer les zones d’influence d'un rideau de bulles d'air comprimé.
Pour les calculs de dimensions optimales, tous les paramètres n'ont pas à être considérés car le taux spécifique de transfert de O₂ à travers les parois des bulles d'air est indépendant du rayon équivalent des bulles (re) et le taux de transfert de O₂ au travers des bulles est constant pour les bulles re > 1,25 mm. (Il est pratiquement impossible d'obtenir des bulles d'air dont le re soit inférieur à 1,25 mm.)
Le rendement kg O₂/kWh des rideaux de bulles d’air peut être de 2 kg O₂/kWh, ce qui représente un chiffre très performant.
REALISATIONS
La plupart des installations de réoxygénation par rideaux de bulles d'air comprimé ont été à ce jour réalisées pour la réoxygénation des lacs et d'étangs (avec ou sans courants).
Parmi ces installations, on peut mentionner :
- lac Tunis, Tunisie : 8 000 m
- étang Nyköping (cet étang sert de déversoir à une sucrerie), Danemark : 450 m
- étang Stadt Rheinbach, Allemagne : 500 m
- lac Munksjön, Suède : 2 950 m
- lac Växjösjön, Suède : 2 500 m
Un cas portuaire :
- port Bollsta Bruk, Suède : 2 100 m
Examinons plus particulièrement les cas des lacs de Munksjön et de Växjösjön.
I. Réoxygénation par rideaux de bulles d'air comprimé du lac de Munksjön (Suède)
Connecté naturellement au lac Vättern (qui est le second lac suédois en superficie), le lac de Munksjön, 1 500 m de long et 800 m de large, reçoit les eaux usées d'une importante papeterie et des communautés urbaines riveraines.
L’installation comporte quatre rideaux de bulles d'air, d'une longueur totale de 2 950 m, qui ont été ancrés au fond du lac (fig. 13). La station de compression d'air a une capacité de 6 m³/min (compresseur type BE-43 Atlas Copco).
II. Réoxygénation par rideaux de bulles d’air comprimé du lac de Växjösjön (Suède)
Ce lac de la Suède méridionale (région de Smaland), entouré de plusieurs localités dont la ville de Växjö, qui est d’importance moyenne, constitue le déversoir de toutes les eaux.
usées urbaines. La population est en croissance continue depuis les années 60.
L'apport de matières organiques dépassait, dès avant 1970, les capacités de digestion du lac et le processus classique d'eutrophisation fut enregistré avec toutes ses manifestations, surproduction d'algues, dégagements d’odeurs putrides, contamination bactériologique, etc.
Pour des lacs de ce genre, de grande surface et de faible profondeur, la convection naturelle due aux vents suffit en général à aérer les eaux.
Mais, en la circonstance, l’état de pollution du lac Växjösjön était trop avancé : seule une réoxygénation pouvait le sauver.
L'installation réalisée en 1970 (fig. 14) comporte 2 500 m de rideaux de bulles d'air, le débit de la station de compression étant de 7,5 m³/mn (compresseur type BE-43 Atlas Copco). Le « traitement » de réoxygénation a duré deux ans, 1971 et 1972. Après cette période le taux d'oxygène dissous est redevenu supérieur à 8 mg/l dans la totalité du lac.
UN PROJET DE RÉOXYGÉNATION DE LA SEINEPAR DES RIDEAUX DE BULLES D’AIR COMPRIMÉ
Le procédé de réoxygénation par rideaux de bulles d’air est applicable aux rivières comme aux lacs lorsqu’il s'agit de faibles profondeurs (10 à 15 m).
Il pourrait être facilement mis en œuvre pour réoxygéner la Seine à Paris, ceci compte tenu du réseau exceptionnel d’air comprimé que possède la Capitale.
L'infrastructure de base (station de compression d'air, canalisation de distribution) étant existante, une telle solution n'impliquerait que l’installation complémentaire sur le fleuve des rideaux de bulles d'air comprimé.
DONNÉES DU PROBLÈME
Les chiffres communiqués par le Service de la Navigation de la Seine sont les suivants pour la Seine à Paris au cours des périodes normales.
Dimensions :
- — largeur moyenne : 150 m ;
- — profondeur : 4,5 à 5,5 m ;
- — section : 700 m².
Débit :
- — de crue : 1 000 m³/s ;
- — d’étiage : 40 à 50 m³/s.
Courant :
- — de crue : 100 cm/s ;
- — d’étiage : 6 cm/s.
Température :
- — moyenne annuelle : 15 °C ;
- — moyenne juin à septembre : 22 °C.
Teneur en oxygène :
- — moyenne annuelle : 8 à 9 mg/l qui correspond à un débit de 120 m³/s.
SOLUTION PROPOSÉE POUR LA RÉOXYGÉNATION IMMÉDIATE
La solution définitive consiste, on le sait, à épurer toutes les eaux rejetées dans le fleuve. Cela fait l'objet du vaste programme prévu en matière d'assainissement par le Bassin Seine-Normandie, avec notamment l'extension de la station d'Achères, la création d'une station à Valenton et d'autres nombreuses stations d’épuration communales ou intercommunales. Avec la confection de nombreux barrages-réservoirs, le projet global qui se chiffre à 20 milliards de F devrait être réalisé sur une période de vingt années.
Mais, en attendant la réalisation complète de ces projets, il est souhaitable de redonner une vie à ce qui est devenu une sorte de fleuve mort, surtout à l'issue de l'année record de sécheresse que constitue le printemps-été 76.
Le manque de débit, cumulé avec l'augmentation de température de l'eau, provoque la densification des éléments polluants et une consommation accrue de O₂, d'où une teneur très faible en oxygène dissous.
Les chiffres sont les suivants, à comparer avec ceux des périodes normales choisies ci-dessus :
- Débit : descendu jusqu’à 15 m³/s en juin 76.
- Courant : 6 cm/s.
- Température de l'eau : montée jusqu’à 27 °C en juin 76.
Teneur en oxygène :
| Date : 11-6-76 — Lieu : Pont de Conflans — 6 mg/l — 25,5 °C |
| Date : 11-6-76 — Lieu : Pont d’Austerlitz (300 m en aval) — 2,5 mg/l — 26 °C |
| Date : 11-6-76 — Lieu : Pont de la Concorde (200 m en aval) — 1,5 mg/l — 24,5 °C |
| Date : 11-6-76 — Lieu : Pont d’Iéna — 0,8 mg/l — 24,5 °C |
| Date : 11-6-76 — Lieu : Viaduc d’Auteuil — 1,5 mg/l — 25 °C |
| Date : 11-6-76 — Lieu : En amont de la Régie Renault — 1,3 mg/l — 24,5 °C |
| Date : 11-6-76 — Lieu : Pont de Saint-Cloud — 1 mg/l — 24,5 °C |
À notre connaissance, la solution de réoxygénation par rideaux de bulles d’air comprimé, permettant de ramener au taux de 3 à 4 mg/l, taux qui assure une vie animale, est la seule qui puisse être retenue, compte tenu :
- — du délai réduit pour la réalisation,
- — de la modicité de l'investissement,
- — et de l’importance limitée des travaux.
Pratiquement, il serait installé un ensemble de soixante rideaux de bulles couvrant les 12 km de traversée de Paris, selon figure 15, tous ces rideaux étant fixés au fond du fleuve par un système de lestage (fig. 16) n'apportant absolument aucune gêne à la navigation.
Ces rideaux seraient constitués de tubes polyéthylène de 1" 1/4, percés pour assurer un débit d'air uniformément réparti de 2,3 mm³/mn/rideau installé.
L'installation totale consisterait donc en 9 km de rideaux de bulles d'air et environ 6 km de tubes de liaison le long des berges. Les alimentations seraient réalisées par vannes automatiques télécommandées.
Le fonctionnement d'une telle installation est fort simple puisque la seule opération consiste à ouvrir ou fermer des vannes automatiques d’alimentation d’air.
LA RÉOXYGÉNATION DES LACS PROFONDS PAR LE PROCÉDÉ LIMNO
Comme nous l'avons déjà signalé, il est très important, pour les lacs de grande profondeur, de ne pas perturber l'équilibre thermique en mélangeant les eaux profondes avec les eaux de surface, le problème posé étant de créer un apport d'oxygène au niveau de l'hypolimnion sans provoquer de courants ascendants et sans apport de calories.
Les premiers essais réalisés au lac de Järla, Suède, ont consisté à aspirer de l'eau froide du fond, à la réoxygéner avec l'air comprimé et à la renvoyer rapidement, sans augmentation de température, au niveau où elle avait été pompée. La capacité d’oxygénation de ce premier système était satisfaisante, mais les moyens à mettre en œuvre représentaient une contrainte non négligeable. En effet, ce procédé comprenait : une station de pompage, un bassin de réoxygénation, une station de compresseurs d'air et un réseau de tuyauteries très important.
Les recherches se sont donc orientées vers la simplification du procédé, pour aboutir à un appareil immergé désigné sous la marque « LIMNO ».
DESCRIPTION DU LIMNO
Le LIMNO est un aérateur d'hypolimnion. Il comprend (fig. 17) :
- 1. une crépine d'injection de bulles d’air comprimé ;
- 2. un corps d’aération ;
- 3. un corps de recyclage de l’eau comprenant des tubes de rejet d’eau traitée ;
- 4. des tubes de captage de bulles d'air sur les tubes de rejet d’eau ;
- 5. un conduit de rejet de l’air en surface avec soupape d'échappement.
Cette unité est ancrée au fond des lacs et alimentée par une station de compression d'air placée sur la berge.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
L'injection, au travers de la crépine, de bulles d'air comprimé crée une nappe de bulles d’air qui remontent dans le corps d’aération du LIMNO. L'eau est aspirée à l’intérieur du corps d’aération par phénomène d'air-lift.
À l'intérieur du corps d’aération, le contact bulles d'air comprimé/eau permet de dissoudre de l'O₂ dans l'eau.
Au sommet du corps d’aération, l’eau passe dans le corps de recyclage. Le niveau de l'eau à l'intérieur de ce corps est maintenu par la contre-pression de l’air. Celle-ci pousse l'eau vers le bas du corps de recyclage et l'eau réoxygénée s’échappe par les tubes de rejet.
Les bulles d’air montent du corps d’aération jusqu’à la surface de l'eau à l’intérieur du corps de recyclage. L'air est évacué à la surface du lac par le conduit de rejet d’air.
Quelques bulles d'air peuvent être entraînées par l'eau dans le corps de recyclage. Ces bulles sont évacuées vers le tube de rejet d'air au niveau des tubes de rejet d'eau régénérée.
Ce procédé permet d’avoir un très bon coefficient d’échange de O₂ le long du corps d’aération. La capacité d’oxygénation, toutes choses égales par ailleurs, est proportionnelle à la longueur du corps d’aération.
DIMENSIONNEMENT
Il n'est pas nécessaire de rappeler, après les expériences réalisées par Eckenfelder (voir bibliographie 1), l'importance de la forme et des dimensions des bassins d'aération pour la capacité d'oxygénation d'un procédé.
D'autre part, les expériences de Morgan et Beutra (voir bibliographie 2) réalisées sur l'aération en colonne d'eau, ont montré que des zones de turbulence se développent vers le centre de la colonne. Ces mouvements augmentent le temps de contact bulles d’air-eau, brisent les grosses bulles et accroissent sensiblement le taux de transfert de l'O₂.
Au cours de ces expériences, ils ont obtenu un taux de transfert de O₂ 1,67 fois supérieur à celui constaté dans les bassins de grandes dimensions. Cette augmentation est due, d'une part, à l'augmentation du temps de contact bulles d’air-eau et à l'augmentation importante des surfaces de contact air-eau, suite aux turbulences qui engendrent des forces additionnelles de cisaillement hydraulique.
Le choix d'un aérateur de forme cylindrique a donc été dicté par les considérations ci-dessus.
Le dimensionnement de l'aérateur, diamètre, hauteur, débit d'air, est le résultat d'un calcul complexe faisant intervenir :
U = volume d'eau à aérer AKL = coefficient de transfert Co = teneur en O₂ à saturation Ct = teneur en O₂ au bout d'un t d'aération Cms = teneur de O₂ moyenne à mi-hauteur du corps d’aération B = nombre de bulles en suspension dans l'eau v₁ = vitesse d’ascension des bulles rₑ = rayon équivalent des bulles tₑ = temps de contact des bulles a = interface / volume d'eau D' = débit d’air / volume d'eau
Rappelons que :
— La valeur de « a » est fonction de la densité de bulles par unité de volume d'eau, cette valeur a pour limite supérieure 244, selon Calderbank (voir 3).
— Le rendement d'une aération s’exprime par k = a / D'.
Suivant les caractéristiques dimensionnelles du Limno et les paramètres du milieu, la zone d'influence d'un Limno peut être de 0,5 km² à 1,5 km².
RÉALISATION
Ce procédé, le LIMNO, est utilisé d'une manière industrielle depuis 1971. Les premières aérations par Limno ont été réalisées dans les lacs de Hagelnas (Suède) et Grebin (Allemagne). Actuellement, une dizaine de lacs ont été réoxygénés par ce procédé.
Nous examinerons deux de ces réalisations (toutes ont donné des résultats très satisfaisants).
I. Aération du lac de Grebin (Allemagne).
Ce lac a une surface de 250 000 m² et une profondeur de 26 m maximum. Début 1971, la concentration en O₂ à 5 m de profondeur était voisine de 0 (voir fig. 18).
Le problème était de rétablir l'équilibre biologique naturel.
Après études, un Limno a été installé en mai 1972 avec un débit d'air total de 7,5 m³/min (1 compresseur type BE-43 ATLAS COPCO).
En 1972, l'eau était déjà transparente sur 6 m de profondeur et, entre 10 et 20 m, la concentration de O₂ était passée de 0 g/m³ à 9 g/m³.
II. Aération du lac de Brunsviken (Suède) (fig. 19).
Ce lac présente les caractéristiques suivantes :
— surface 1,5 × 10⁶ m² — profondeur max. 14 m — volume d'eau 9,9 × 10⁶ m³
[Figure : Réduction du phosphore total (Brunnsviken) – Fig. 21]
Suite aux observations et études réalisées de 1969 à 1972, les autorités locales ont décidé de réoxygéner ce lac qui présente une déficience en oxygène très importante (fig. 20).
On a installé 4 LIMNO qui fournissent en totalité 770 kg O₂/ jour (fig. 19). Ces LIMNO sont alimentés par une station de compression d'air d'une capacité de 15,5 m³/mn (compresseur type BE-63 ATLAS COPCO équipé d'un réfrigérant de filtre à huile).
Les résultats obtenus en oxygène dissous et en réduction de phosphore sont montrés sur les deux graphiques (fig. 20 et 21).
À partir de 1975, le lac avait retrouvé son équilibre bio logique.
La figure 20 montre l'évolution de la concentration de O₂ jusqu'en 1975.
QUELQUES RÉFÉRENCES DU PROCÉDÉ LIMNO
| Année | Pays | Installation | Débit |
|---|---|---|---|
| 1971 | Hagelnäs, Suède | 2 unités | 3,75 m³/mn |
| Grebin, R.F.A. | 1 unité | 7,5 m³/mn | |
| 1972 | Brunnsviken, Suède | 4 unités | 15,5 m³/mn |
| 1973 | Wacabuc, U.S.A. | 2 unités | 7,5 m³/mn |
| Kolbotnvatn, Norvège | 1 unité | 5,5 m³/mn | |
| Grängesberg, Suède | 1 unité | 6 m³/mn | |
| 1974 | Caldonazzo, Italie | 6 unités | 70 m³/mn |
| 1975 | Waginger See, R.F.A. | 1 unité | 6 m³/mn |
| Grängesberg, Suède | 5 unités | 22 m³/mn |
CONCLUSION
La réoxygénation des lacs et des rivières devient une nécessité absolue si l'on veut maintenir la vie piscicole en attendant que toutes les pollutions soient supprimées, ce qui demandera de toute façon encore de longues années et de grosses dépenses.
Pour les rivières et lacs de faible profondeur (jusqu'à 15 m environ) les rideaux de bulles d’air comprimé, fixés au fond et ne gênant pas la navigation, donnent des résultats satisfai sants, maintenant bien connus après une quinzaine d'années de mise en application.
Pour les lacs profonds, un appareil, le LIMNO, mis au point depuis cinq ans maintenant, apporte les mêmes résultats.
Ces deux systèmes utilisant l'air comprimé sont d'une con ception simple, d'une mise en pratique rapide et d'un coût d'investissement très limité.
Pour le problème de la Seine à Paris, qui a pris cette année une telle gravité après la « Sécheresse du siècle », une solu tion est offerte : un réseau de 9 km de rideaux de bulles d'air comprimé.
Ainsi que l’a avancé le Dr Bernard LAFAY, Président du Conseil de Paris, en s'adressant à M. le Préfet de Paris (ques tion écrite n° 2009 du B.M.O. de la V.P. 25-26 et 27 juillet 1976) :
« Une action de réoxygénation artificielle en cas de besoin peut être immédiatement prévue et son utilité ne peut faire de doute »…
C. LAPORTE.
BIBLIOGRAPHIE
1) ECKENFELDER — « Factors affecting the aeration efficiency of Sewage and Industrial Wastes ». Sewage and Industrial Wastes, n° 31, 1959.
2) MORGAN P. et BEUTRA J. K. — « Air Diffuser Efficiency ». Sewage Works, vol. 32, 1960.
3) CALDERBANK P. H. — Trans. Instn. Chem. Engrs, n° 37, 1959.
4) BENGTSSON L. et GELIN C. — « Artificial aeration and suction dredging methods for controlling water quality », University of Lund, Institute of Limnology, Sweden, 1975.
5) BULSON P. S. — « Currents produced by an air curtain in deep water ». The Dock and Harbour Authority, n° 42, mai 1961.
6) BENZINA A. et BRIÈRE F. — « Optimisation du rendement de systèmes d'aération par diffusion d’air ». Eau de Québec, n° 3, 1971.
7) BENGTSSON L., BERGGREN H., MEYER O. et WERNER B. — « Restoration of lakes with hypolimnetic oxygen deficiency ». Institute of Limnology, Lund, Sweden, 1972.
8) HUTCHINSON G. E. — A Treatise on Limnology. I. Geography, Physics and Chemistry. Wiley, New York, 1957.
9) ATLAS COPCO — Engineering for a Better Environment.
