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Maîtrise en Génie civil avec mémoire par Alexandre Bourget ing.jr

Projet pilote d’évaluation des procédés de traitement par coagulation et recouvrement actif en enclos sur plateforme flottante pour la restauration du lac Saint-Augustin

Algal biomass and cyanobacteria proliferation on Saint-Augustin lake
La situation du lac Saint-Augustin

Situé près de Québec, le lac Saint-Augustin a subi une forte urbanisation depuis les soixante dernières années. Cette urbanisation, tout comme son passé agricole, est responsable de l’état d’eutrophisation dans lequel il se trouve. La cause majeure de l’augmentation de la masse algale causant l’eutrophisation est une teneur élevée en phosphore qui proviendrait d’une source interne, soit les sédiments au fond du lac. Par ailleurs, des contaminants provenant des eaux de ruissellement et des eaux souterraines s’écoulent vers le lac. Les bandes riveraines disparues avec le temps étaient l’ultime barrière contre l’érosion et les ruissellements agricoles et routiers, lesquels n’ont pas cessé d’augmenter. De plus, quelques installations septiques inadéquates existent encore à l’intérieur du bassin versant. L’ensemble de la situation du lac Saint-Augustin représente bien la problématique de l’eutrophisation des lacs au Québec, caractérisée par la floraison des algues bleu-vert que sont les cyanobactéries.

Pilot project of a floating platform on Saint-Augustin lake.
La plateforme flottante

Le projet de maîtrise vise à l’évaluation de la performance de traitements de réduction du phosphore soluble, responsable de l’eutrophisation, pour la restauration du lac Saint-Augustin. Il consiste en la réalisation in situ d’essais de coagulation au sulfate d’aluminium (alun) et de recouvrement actif de calcite sur les sédiments, par l’installation d’une plateforme pilote sur le lac. Partenaires du projet : Ville de Québec, CRSNG, MDDEP, Dessau et Université Laval.

En se basant sur des travaux antérieurs par l’équipe de la Docteure Rosa Galvez à l’Université Laval (Dominguez:2004, Brin:2007, Parant:2007), des essais ont été opérés dans chacun des enclos englobés par la plateforme flottante. Ces enclos de 4 m2 de surface constituent quatre colonnes d’eau isolées du lac par une toile de vinyle, de la surface jusqu’au sédiments: un enclos témoin, un enclos avec traitement de coagulation et floculation à l’alun, un enclos avec recouvrement de roche calcaire, un enclos traité à l’alun et recouvert de calcaire.

Electrical generator and agitation pump for the coagulation and flocculation treatments with alum.
Traitement de coagulation et floculation à l’alun

Le principe fondamental de la coagulation à l’alun repose sur l’agglutination de molécules de petite taille à un noyau qui, lorsque sa taille devient suffisante, peut sédimenter au fond de l’eau. Dans le cas présent, les molécules d’intérêt sont les ions phosphate; cette forme de phosphore soluble est biodisponible et principale responsable de l’eutrophisation des lacs.

Le traitement comporte deux étapes: la coagulation et la floculation.

La phase de coagulation démarre par l’injection de l’alun et est caractérisée par sa durée de moins de dix minutes et par la forte agitation nécessaire. C’est la phase de nucléation, où les molécules d’alun doivent entrer en contact fortement avec l’ensemble de la colonne d’eau pour créer de petits noyaux de coagulation, appelés flocs, qui pourront continuer d’adsorber les molécules par la suite. La pompe d’agitation utilisée ne permettant pas l’ajustement du débit, un système d’embouts a été imaginé pour forcer ou distribuer le débit. Un embout en ”T” avec une restriction de diamètre aux deux bouts a été utilisé pour l’agitation rapide (figure du centre). Il permettait de conserver une forte pression tout en relâchant l’eau à l’horizontale, un détail important puisque la perturbation des sédiments du fond devait être limitée pour éviter leur resuspension dans l’eau. La puissance générée par la pompe munie de cet embout est montrée en cliquant sur l’image ci-dessus.

La phase de floculation est plutôt caractérisée par sa durée de deux heures et par sa lente agitation. Une agitation faible est nécessaire pour limiter les forces de cisaillement qui pourraient briser les flocs instables nouvellement formés. La longue durée de cette phase augmente les probabilités de collisions entre les particules. Dans une perspective d’application dans un lac naturel, cette étape était particulièrement importante puisque contrairement aux procédés de traitements conventionnels des eaux usées, aucun agent chimique ne pouvait être ajouté pour aider à la sédimentation des flocs. La photo de droite montre l’embout utilisé pour cette phase: quatre sorties sans restrictions répartissaient le débit de la pompe, limitant la vitesse de sortie pour réduire les forces de cisaillement dans la colonne d’eau. Il ne restait plus qu’à attendre quelques jours pour laisser les flocs sédimenter au fond de la colonne d’eau.

Active capping with calcite, limestone, and capping with sand in two of the enclosures of the floating platform on Saint-Augustin lake.

Recouvrement actif de calcaire

Les travaux antérieurs de Dominguez et Brin ont démontré que les sédiments du lac Saint-Augustin sont fortement contaminés en phosphore; jusqu’à 1200 mg/kg. De ce fait, un simple traitement de réduction instantanée du phosphore soluble ne pourrait être suffisant puisque les sédiments continueraient de relarguer du phosphore vers la colonne d’eau. Pour cette raison, l’option de recouvrement du fond du lac par de la roche calcaire a été mis à l’épreuve. La calcite possède un fort pouvoir adsorbant, est très peu coûteuse et est facilement disponible au Québec, la rendant idéale pour une application à grande échelle dans un lac.

Dans chacun des enclos traités par recouvrement actif, 600 kg de calcite de granulométrie 1/4″ ont été ajoutés à l’aide du tuyau verseur montré à la photo du centre, selon un quadrillage uniforme de la surface de l’enclos. L’intérêt de ce système était de limiter la perturbation du fond lors du dépôt de chaque sac de calcite pour éviter la resuspension des flocs d’alun très mobiles sédimentés au fond. Après le dépôt de la calcite, 600 kg de sable a été ajouté selon une méthode plus conventionnelle, montrée à la photo de droite. Le seul rôle du sable est d’offrir une couche protectrice qui assure le maintien uniforme de la barrière de calcite.

En résumé, le recouvrement actif a consisté en l’application d’une couche de 10 cm de calcite suivi d’une couche de 10 cm de sable. La barrière de calcite n’empêche pas le phosphore d’être solubilisé dans l’eau, mais permet son adsorption à la surface de la roche avant qu’il puisse atteindre la colonne d’eau.

Analysis on the enclosures water using Secchi disk for transparency, YSI probe and taking water to the environment laboratory of Laval University for phosphorous and metal concentrations

Analyse des paramètres environnementaux

Tout au long de l’essai réparti de juillet à octobre 2009, des paramètres environnementaux ont été mesurés régulièrement à trois profondeurs différentes dans chaque enclos et dans le lac. Des paramètres instantanés comme la transparence de l’eau, la température, l’oxygène dissous, le pH et la conductivité électrique ont été mesurés directement sur la plateforme. Des échantillons d’eau étaient aussi prélevés pour des analyses en laboratoire comme les métaux solubles, le phosphore soluble et les chlorures. Le Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec (CEAEQ) a aussi été mandaté pour les analyses de métaux totaux et de phosphore total. À la toute fin de l’essai, une carotte de sédiments a été prélevée dans chacun des enclos pour une caractérisation physique (granulométrie, teneur en eau) et chimique (phosphore total, fer total). Des analyses de métaux et de phosphore ont aussi été opérées sur l’eau interstitielle des sédiments.

La première photo à gauche montre la mesure de la transparence de l’eau par disque Secchi qui consiste à relever à quelle profondeur le disque devient invisible pour l’opérateur. La deuxième photo montre la sonde YSI 6600v2 utilisée pour les mesures instantanées de la colonne d’eau. La troisième photo montre la bouteille à clapet Van Dorn Beta servant à emprisonner l’eau échantillonnée en profondeur. La photo de droite montre l’opération de l’appareil de spectrométrie d’absorption atomique par flamme de marque Varian utilisé pour l’analyse des métaux au laboratoire d’environnement du département de Génie civil à l’Université Laval.

Removal and storage of the enclosures and the floating platform from the Saint-Augustin lake

Démantèlement de la plateforme

À la fin de l’essai en octobre 2009, la plateforme devait être démantelée avant l’hiver pour éviter sa destruction par les glaces du lac gelé. Les enclos ont donc été extirpés des sédiments par des plongeurs professionnels puis tirés hors de l’eau manuellement. La photo de gauche montre cette opération rendue difficile par le foisonnement du périphyton, des algues microscopiques vivant dans l’eau en se fixant au support que leur procurait la toile des enclos. La plateforme a été entreposée pour l’hiver en vue d’une utilisation future.

Rosa Galvez , Alexandre Bourget , Véronique Daviau , David Chartier, Rémi Debard. Great team at Laval University, lot of work, great spirit.

Beaucoup de travail, le grand air, des gens sympathiques et déterminés

Beaucoup de travail acharné, mais aussi une expérience irremplaçable avec des gens impliqués et déterminés. La photo de gauche montre la Docteure Rosa Galvez et moi à sa gauche, puis ses étudiants David Chartier et Véronique Daviau, qui m’ont été d’une aide précieuse en début de maîtrise. La photo de droite montre Rémi Debard, étudiant au baccalauréat en ingénierie à l’École nationale du Génie de l’eau et de l’environnement de Strasbourg (ENGEES), un des quatre stagiaires que j’ai eu la chance de superviser durant la maîtrise.

La recherche en Génie civil à l’Université Laval est dynamique et les ressources ne manquent pas. Cette étape de ma vie est un tremplin entre le baccalauréat en ingénierie et le marché du travail, une réalisation concrète requérant discipline, organisation et rigueur, qui me rend impatient de m’impliquer concrètement dans ma carrière.