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Bio-Activateur de Lacs (BAL)
PROCÉDÉ de RESTAURATION des LACS
Ce procédé a été développé par des ingénieurs et spécialistes en restauration de lacs et cours d’eau en utilisant les connaissances acquises sur plusieurs années lors de projets de restauration de lacs et étangs au Canada. Elle implique l’utilisation de technologies propres qui permettent sur une base de court à moyen terme d’augmenter la qualité générale de l’eau, tout en abaissant les niveaux d’eutrophisation du plan d’eau traité. Le but du procédé est de permettre au plan d’eau de retrouver une biodiversité accrue et ainsi un meilleur équilibre de l’écosystème aquatique.
Problématique des Lacs
L’eutrophisation
L’ eutrophisation est un processus de vieillissement des lacs et cours d’eau qui dans un processus purement naturel se passe sur des centaines d’années, voir des milliers d’années. La villégiature et les activités humaines ont comme conséquence d’augmenter la vitesse de vieillissement des lacs au point où après quelques décennies, le lac devient eutrophe ou hyper-eutrophe.
La séquence classique de succession d’un lac est habituellement une progression unidirectionnelle au travers de ces phases (ou états trophiques) :
Oligotrophe : pauvre en nutriments et biologiquement non-productif. Eau riche en oxygène.
Qualité : +++
Mésotrophe : état transitoire entre oligo et eutrophe. Déficit relatif en oxygène.
Qualité : +
Eutrophe : riche en nutriments et biologiquement très productif. Déficit en oxygène en profondeur observé.
Qualité : -
Hyper-eutrophe : condition de soupe aux pois ; la condition extrême du stade eutrophe. Grave déficit en oxygène observé.
Qualité : - - -
Le processus de vieillissement ou d’eutrophisation d’un lac à l’état naturel est un processus extrêmement lent. Ainsi, pour qu’un lac passe de la condition oligotrophe mésotrophe, ce changement de condition peut prendre plusieurs milliers d’années. Lorsque le même lac a atteint le stade mésotrophe et qu’il commence à démontrer des signes de désoxygénation, alors le processus de vieillissement accélère considérablement. Au lieu de milliers d’années, on parle alors de centaines d’années pour que celui-ci devienne eutrophe ou hyper-eutrophe.
à
On sait maintenant que plusieurs activités humaines contribuent à une augmentation extrêmement rapide de l’eutrophisation d’un lac.
La présente figure démontre à quel point les activités humaines peuvent augmenter la vitesse d’eutrophisation d’un lac. Au lieu de milliers d’années, on parle maintenant de dizaines d’années pour qu’un lac passe du stade oligotrophe au stade eutrophe !
Cette augmentation de la vitesse d’eutrophisation due aux activités humaines n’est pas une exagération des scientifiques.
Plusieurs lacs dans le monde peuvent en témoigner
Le procédé Bio-Activateur de Lacs (BAL)
Ce procédé a été développé par des ingénieurs et spécialistes en restauration de lacs et cours d’eau en utilisant les connaissances acquises sur plusieurs années lors de projets de restauration de lacs et étangs au Canada. Elle implique l’utilisation de technologies propres qui permettent sur une base de court à moyen terme d’augmenter la qualité générale de l’eau, tout en abaissant les niveaux d’eutrophisation du plan d’eau traité. Le but du procédé est de permettre au plan d’eau de retrouver une biodiversité accrue et ainsi un meilleur équilibre de l’écosystème aquatique.
Description des technologies prescrites
ainsi que du procédé BAL
L’éolienne flottante Little River
Le Little River (petite rivière) est un aérateur par circulation d’eau unique en son genre car il utilise une source d’énergie renouvelable pour l’opérer, soit le vent. La circulation de l’eau est produite grâce à une hélice submergée qui peut produire un grand courant d’eau ascendant et vertical de type vortex toroïdal. Pour un vent de 24 km/h, l’hélice submergée peut créer un débit d’eau de 9m3s-1 lorsque testé en condition de bassin. Ce mouvement d’eau vertical peut, dépendant des vents et de la profondeur, éliminer partiellement ou complètement la stratification thermique, permettant ainsi de meilleurs échanges entre l’atmosphère et les sédiments. En créant ce mouvement d’eau vertical, l’éolienne Little River permet un transfert ainsi qu’une distribution plus uniforme de l’oxygène dissous disponible.
Mouvement d’eau ascendant, Vortex toroïdal et Courant de surface laminaire
Une étude faite par l’Université de Saskatchewan a permis de découvrir pourquoi le système Little River pouvait déplacer jusqu’à 9m3 d’eau à la seconde lorsqu’on l’utilisait dans un bassin. Lorsque l’hélice (spécialement conçue pour le système Little River et l’Aéro-Solaire) tourne à une vitesse constante, la tirée d’eau créée par la rotation de l’hélice transporte une colonne d’eau verticale ascendante. À la surface, cette colonne d’eau se déplacera alors horizontalement tout en s’éloignant de l’appareil. Ce déplacement horizontal crée ainsi un courant superficiel dit laminairepermettant d’excellents transferts d’oxygène d’origine atmosphérique. Ce mouvement laminaire est à la base du troisième mouvement d’eau dit de type vortex toroïdal.Lorsque qu’en s’éloignant et lorsque la vélocité diminue, un mouvement d’eau vertical descendant est créé, tirant ainsi l’oxygène vers la base du vortex toroïdal.
Ces mouvements d’eaux ascendants et descendants sont à la base du procédé BAL (Bio-Activateur de Lacs). Le mouvement ascendant et laminaire permet un transfert d’oxygène dissous atmosphérique alors que le mouvement descendant permet le retour de cet oxygène au fond du plan d’eau. Également, le mouvement d’eau descendant permet de mieux distribuer l’oxygène produit par les végétaux lors de la photosynthèse.
En nature, le procédé BAL est recréé lors des périodes de brassage printanières et automnales lorsque la stratification thermique est inexistante (température de surface similaire à celle du fond) et lorsque les vents violents permettent alors aux eaux de surface de couler et les eaux du fond de remonter. L’oxygène est alors redistribué de façon uniforme jusqu’au niveau des sédiments.
Utilisation du système dans la zone littorale
Lorsque utilisé en zones moins profondes (zone littorale), ce mouvement d’eau ascendant permet de maintenir au niveau des sédiments des conditions aérobies (avec oxygène) ce qui réactive les populations lacustres de microorganismes détritivores. Le mouvement d’eau toroïdal permet une réactivation de la digestion aérobie des sédiments par des bactéries qui pourront retrouver les conditions optimales de développement. Une augmentation des populations de détritivoresou décomposeurs et autres invertébrés benthiques font partie des organismes bénéfiques qui peuvent recoloniser le plan d’eau grâce au procédé BAL. Il est important de comprendre que l’oxygène est à la base de la vie animale et que, pour un plan d’eau eutrophe ou hyper-eutrophe, la disparition de ces organismes est étroitement liée à la perte en oxygène dissous. Pour les bactéries, le deuxième facteur d’importance après l’oxygène est la circulation d’eau. En effet, la création d’un courant d’eau au niveau des eaux interstitielles (eau-sédiments) permet une meilleure distribution des nutriments nécessaires à leur survie et leur reproduction.
Dans un contexte où nous voulons éviter les poussées excessives de plantes aquatiques, il est important de créer une compétition pour les mêmes nutriments
Utilisation du système dans la zone lotique
Lorsqu’il est utilisé dans des endroits plus profonds (plus de 5m de profondeur), ce système permet de maintenir une couche d’eau froide au fond du plan d’eau. C’est ce qui le distingue parmi tous les autres systèmes. Alors que le système est en marche, des zones de mouvements ascendants et descendants d’eaux riches permettent aux bactéries de se maintenir en activité intense et permettent également au plancton animal
Un des meilleurs exemples en nature de ce phénomène est retrouvé dans la région de Tadoussac sur le fleuve St-Laurent au Québec. Dû au relief sous-marin, les courants profonds d’eaux froides et riches en nutriments sont forcés à la surface et s’y mélangent avec l’eau chaude de surface. Sous l’action du soleil, les algues s’y développent et comme il y a présence de suffisamment d’oxygène, les petits crustacés appelés zooplancton
Les systèmes Little River et Aéro-Solaire sont des appareils qui recréent ces phénomènes naturels.
L’Aéro-Solaire modèle SA
L’Aéro-Solaire est présentement le plus puissant aérateur à force solaire au monde
(Le tout nouveau modèle SA 2003)
Dans certains plans d’eau où nous ne pouvions utiliser de façon efficace l’énergie éolienne, notre équipe multidisciplinaire se devait de concevoir un nouveau produit adapté qui pouvait maintenir une autonomie complète dans ces conditions. Ayant pour but de trouver les meilleures solutions possibles en matière de rétablissement d’écosystèmes de lacs et d’étangs eutrophiés, et afin de permettre de mettre en place le procédé BAL, nous avons alors créé l’Aéro-Solaire. Basé notre modèle éolien, nous avons ainsi conçu un aérateur par circulation d’eau activé uniquement par la force solaire.
Ayant été les premiers à utiliser des aérateurs par circulation d’eau à force éolienne dans des projets de restauration de lacs et étangs, nous avons longuement observé ce genre de système en opération. Nous avons conclu que le système éolien était très performant dans certaines conditions spécifiques tels que les lacs et étangs de profondeur moyenne (environs 7 mètres et moins) où les stades d’eutrophisation étaient d’intermédiaire à avancé. Par contre, pour les plans d’eau peu profonds, plus eutrophiés, constamment alimentés par des effluents riches en matières polluantes OU les plans d’eau de plus de 8m de profondeur, le modèle éolien manquait de performances lorsque les conditions ambiantes le demandait, c’est-à-dire lors de longues périodes de canicules très ensoleillées où on y retrouve habituellement peu de vents constants.
Avec le modèle AÉRO-SOLAIRE, nous avons maintenant un appareil qui fonctionne au maximum de sa capacité durant ces périodes critiques pour la qualité d’un plan d’eau eutrophe ou pour un étang d’épuration des eaux usées.
Le MODÈLE SOLAIRE sera en opération environs 1hr après le lever jusqu’à 1hr avant le coucher du soleil, avec des pointes de performances optimales entre 9h00 et 18h00 (saison estivale) à environs 125 tours/min, avec une force de brassage maximale estimée à plus de 9m3/sec (conditions d’essai en bassin).
Brassage typique d’un Aéro-Solaire lorsqu’il est exposé en plein soleil
PROCÉDÉ BALplus ; Souches bactériennes EcoSolution-lac
EcoSolution-lac est un mélange spécifique de souches bactériennes spécialement formulé pour prévenir le déséquilibre des écosystèmes aquatiques ou encore pour réactiver de façon plus rapide le procédé Bio-Activateur de Lacs (BAL).
Contrôle des cyanobactéries
(Tiré du programme belge de suivi des cyanobactéries ‘ b-blooms’)
Les cyanobactéries (également connues sous le nom d’algues bleues ou de cyanophycées) sont des organismes microscopiques photosynthétiques qui existent naturellement en eau douce. Il existe beaucoup d’espèces de cyanobactéries, mais seules quelques espèces peuvent produire des toxines dangereuses. Les toxines cyanobactériennes sont des poisons produits et stockés dans les cellules de certaines espèces de cyanobactéries. Ces toxines sont habituellement libérées dans l’eau quand les cellules meurent. On estime que 40 à 70% des blooms cyanobactériens relâchent des toxines dans l’eau.
La prédominance des cyanobactéries dans les écosystèmes aquatiques est due à leurs caractéristiques physiologiques particulières et à leurs stratégies de développement.
Les caractéristiques physiologiques
Les cyanobactéries ont développé des adaptations multiples par rapport à leur environnement. Une bonne compréhension de leurs réactions aux facteurs environnementaux est essentielle pour comprendre l’apparition d’efflorescences et la gestion des problèmes liés a celles-ci.
Les conditions favorisant le développement des cyanobactéries sont :
intensité lumineuse faible
Les cyanobactéries ont des exigences relativement faibles en intensité lumineuse. Certaines espèces sont même très sensibles à des périodes prolongées de forte intensité lumineuse. Cette caractéristique peut leur permettre, dans des eaux troubles, d’avoir un avantage compétitif sur d’autres espèces d’algues.
température élevée
Les cyanobactéries ont généralement des températures optimales de croissance supérieures à celles observées chez les autres organismes aquatiques. Ceci favoriserait le développement des efflorescences en été.
eaux stagnantes
La vitesse de croissance des cyanobactéries est relativement faible comparée aux autres espèces de phytoplancton. Une vitesse de croissance faible nécessite un temps de rétention de la masse d’eau pour assister à la formation d’efflorescences, c’est-à-dire des conditions d’eaux stagnantes. Les cyanobactéries ne forment donc généralement pas d’efflorescences dans des eaux courantes, telles les rivières, ni d’ailleurs dans les plans d’eau turbulents.
rapport phosphore/azote
Les efflorescences se produisent souvent dans des lacs souffrant d’eutrophisation. En effet, les cyanobactéries ont besoin de beaucoup de phosphore. Par contre, beaucoup d’espèces se contentent de faibles quantités d’azote dissous. Dès lors, elles se développent souvent avec une croissance plus rapide que d’autres algues dans des conditions ou le rapport N :P est faible (beaucoup de phosphore et peu d’azote). Le fait que certaines espèces de cyanobactéries soient particulièrement adaptées à de faibles quantités d’azote dissous est lié à leur capacité à fixer l’azote N2, non utilisable par les autres algues.
pH élevé
Les cyanobactéries sont particulièrement adaptées aux conditions de pH élevée, qui correspondent par ailleurs à des conditions d’eutrophisation importante. En effet, le pH de l’eau est lié à l’importance de la production primaire algale ; en conditions eutrophes, la quantité d’algues augmente et donc la production algale est importante.
Méthode de contrôle versus les caractéristiques physiologiques des cyanobactéries
Considérant les caractéristiques physiologiques des cyanobactéries qui leur permettent de proliférer et devenir dominants dans la composition phytoplanctonique d’un lac ou cours d’eau, les techniques retenues devront pouvoir :
1) Augmenter la transparence de l’eau.
2) Ne pas augmenter la température de l’eau.
3) Créer une circulation de l’eau / éliminer les états de stagnation.
4) Contrôler surtout le phosphore.
5) Réduire les niveaux d’eutrophisation du plan d’eau pour un rétablissement d’un pH plus proche des conditions retrouvées en profondeur.
Comment le procédé BAL peut traiter efficacement les cyanobactéries
En reprenant point par point les conditions favorisant le développement des cyanobactéries, nous pouvons démontrer comment le procédé BAL peut traiter efficacement les cyanobactéries.
intensité lumineuse faible
Un traitement initial de bactéries EcoSolution-Lac a comme effet de créer une compétition pour les mêmes nutriments et ce très rapidement, ce qui engendre une réduction importante de la production primaire algale. Une réduction de la production algale permet ainsi une augmentation de l’intensité lumineuse, augmentation qui nuira spécifiquement aux cyanobactéries. Le maintien des populations bactériennes actives par les systèmes d’aération/brassage permettent de préserver ces conditions non favorables aux poussées de cyanobactéries. Le processus de contrôle au travers de l’augmentation de la biomasse bactérienne est aussi observé lorsqu’on utilise uniquement les aérateurs/brasseurs, mais le temps de réponse est plus long et les effets plus graduels.
température élevée
Les systèmes conventionnels d’aération, tel que l’utilisation de compresseurs et diffuseurs d’air ont pour effet d’éliminer complètement la stratification thermique de l’eau. De cette façon ces systèmes permettent d’augmenter la température globale de l’eau. Autre fait à considérer qui est non négligeable : lors de températures ambiantes de près de 30oC, c’est de l’air réchauffé à près de 40oC ou plus (par le transfert d’énergie des compresseurs sous forme de chaleur) qui est injecté dans le lac, ce qui entraîne un réchauffement accru des eaux. Le procédé BAL n’introduit aucune forme de chaleur au lac et permet de maintenir une stratification thermique (si plus de 5m de profondeur) tout en oxygénant.
eaux stagnantes
La turbulence des eaux sous les mouvements verticaux ascendants, laminaires horizontaux, verticaux descendants et finalement des vortex toroïdaux permettent d’éviter la stagnation des eaux, ce qui exerce un contrôle certain des cyanobactéries.
phosphore et azote
Puisque les cyanobactéries peuvent fixer l’azote atmosphérique, un contrôle des nutriments axé uniquement sur l’azote serait vain. Puisque le procédé BAL est axé sur le retour d’une faune aquatique plus nombreuse et plus diversifiée et que ces animaux ont tous besoins de se nourrir à même le lac, c’est l’ensemble des nutriments disponibles qui seront utilisés et ainsi réduits. On ne peut se fier uniquement sur la fixation du phosphore lors du retour d’un milieu aérobie afin de réduire ce paramètre car les niveaux de fer dissous (élément de fixation) seraient vite épuisés. Il faut ainsi miser sur l’utilisation du phosphore au travers de la chaîne alimentaire. Avec le retour d’oxygène et le maintien de zones écologiques diversifiées (eaux chaudes, eaux intermédiaires et eaux froides), le phosphore ne sera plus utilisé que par la portion végétale du lac (manque en oxygène = perte de vie animale).
pH élevé
Comme il y a un lien direct avec la surproduction algale et l’augmentation du pH, celui-ci pourra être maintenu à des niveaux acceptables pour la survie de la faune aquatique.
L’oligotrophisation du plan d’eau suite à la mise en place du procédé BAL ;
Étude de cas du lac Écho de Morin-Heights
Le terme oligotrophisation vient du terme oligotrophe, qui se rapporte à un lac pauvre en nutriments ayant beaucoup d’oxygène en réserve et qui a une clarté exceptionnelle. Nous avons observé, et ce après seulement quelques années d’opération, que les lacs qui utilisaient le procédé BAL jouissaient année après année d’une meilleure qualité de l’eau et qu’ainsi ils s’oligotrophiaient.
Le meilleur exemple de ce phénomène viendrait du projet de restauration du lac Écho dans les Laurentides au Québec. En 1998, le lac Écho démontrait des signes apparents de problèmes reliés à une eutrophisation de plus en plus avancée du plan d’eau, alors que ce même lac était réputé comme étant un des plus beaux lacs des Laurentides.
Des poussées d’algues étaient apparentes de façons occasionnelles vers le début du mois d’août alors que les eaux étaient chaudes, pauvres en oxygène et riches en nutriments. Le lac était aussi réputé comme étant un lac pour la pêche de l’Omble de fontaine (truite mouchetée). Depuis quelques années ce poisson n’était plus pêché au lac car les conditions ne permettaient plus à ce poisson de coloniser cet habitat et il avait alors remonté le tributaire pour se réfugier. En effet, le lac était alors dans un état eutrophe, soit dans un état où les truites ne peuvent plus survivre. Les objectifs du programme de restauration étaient alors de retrouver des conditions d’autrefois, c’est-à-dire des conditions d’eutrophies moins élevées tout en maintenant un milieu propice à la truite mouchetée. Devant permettre de restaurer le milieu tout en maintenant une couche d’eau froide propice aux truites et autres organismes vivants qui préfèrent les eaux froides, nous avons soumis un projet où seulement 4 éoliennes flottantes Little River seraient utilisées vis-à-vis le centre de ce lac de 26ha.
Les résultats des suivis estivaux sont présentés ci-bas ;
Résultats physico-chimiques avant et durant le processus BAL
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Paramètre
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1998
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1999
|
2000
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2001
|
2003
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Phosphore total
|
30 mg/L
|
23 mg/L
|
17 mg/L
|
25 mg/L
|
15,5 mg/L
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Chlorophylle-a
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9,3 mg/L
|
3,6 mg/L
|
8,3 mg/L
|
3,8 mg/L
|
0,75 mg/L
|
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Transparence
|
3,1m
|
4,2m
|
3,9m
|
5,0m
|
5,0m
|
|
pH
|
7,2
|
7,3
|
7,4
|
8,1
|
7,3
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Données transférées en Indices d’Eutrophisation Carlson (modèle mathématique permettant de définir les niveaux d’eutrophisation d’un plan d’eau tel qu’un lac)
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Paramètre
|
1998
|
1999
|
2000
|
2001
|
2003
|
|
Phosphore total
|
53
|
50
|
45
|
51
|
43
|
|
Transparence de l’eau Secchi
|
44
|
39
|
44
|
37
|
37
|
|
Chlorophylle-a
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53
|
43
|
52
|
43
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28
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État trophique du lac Écho avant et durant le procédé BAL
La séquence classique de succession d’un lac est habituellement une progression unidirectionnelle et très lente au travers de 3 phases, avant de terminer comme étant un lac Hyper-Eutrophe. Le procédé BAL a permis au lac Écho de reculer dans le temps et de redevenir un lac en santé, et ce en seulement 4 ans.
Oligotrophe : pauvre en nutriments et biologiquement non-productif. Eau riche en oxygène.
« — LAC ÉCHO en 2003
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