Volume 4, Number 2, 1991

FR:

Une étude quantitative et qualitative du benthos du Ruisseau des Anges (Comté de Montcalm, Québec), un bassin à vocation agricole, réalisée de 1986 à 1988, a permis d'évaluer les effets d'un curage effectué en 1987.

L'échantillonnage couvrait les zones d'amont destinées être curés, ainsi que des sites en aval des travaux et des sites témoins. Les cours d'eau y sont enrichis, principalement en azote, et le benthos s'avère dominé par les Oligochètes Tubificidae. Mémo la station-témoin, située dans une zone plus boisée, contient une faune appauvrie, bien que plus diversifiée, dominée par les Diptères Chironomidae, les Mollusques Sphaeriidae, les Coléoptères Elmidae et les Mégaloptères Sialidae, groupes résistants à la pollution. Le curage a éliminé les accumulations de boues organiques, ainsi que les plantes aquatiques qui les retenaient, et favorisé la colonisation du milieu par les Diptères Chironomidae. Cependant, dès l'automne suivant (1988), l'envasement avait repris et les Tubificidae avaient recouvré leur position de dominance, particulièrement dans les stations d'amont, sans toutefois atteindre les densités de 1986. Les bénéfices du curage sur le benthos ont été de faible importance et de courte durée, dans la mesure où l'envasement et la pollution organique maintiennent des conditions de dégradation en absence de mesures efficaces de contrôle de l'érosion. L'utilisation de plusieurs indices biotiques pour décrire l'état des cours d'eau illustre la difficulté de leur application à des cours d'eau de plaine.

EN:

A quantitative and qualitative study of the benthos of Ruisseau des Anges (Montcalm County, Quebec), in an agricultural area, in 1986 to 1988 was undertaken to evaluate the effects of ditching operations in 1987.

Sampling included upstream zones where the ditching occurred, downstream stations, and control areas. All streams were enriched, particularly in nitrogen, and their benthic fauna was dominated by Tubificidae (Oligochaeta). Even the control area had a reduced fauna dominated by Chironomidae (Diptera), Sphaeriidae (Mollusca), Elmidae (Coleoptera) and Sialidae (Megaloptera), all resistant to pollution. The ditching operations eliminated the accumulated mud and destroyed the vegetation winch choked the streams. This allowed a colonization by Chironomidae. However, by the fall of 1988 much silting had occurred and the Tubificidae reestablished, though not in the high densities of 1986. Any improvement of the benthic fauna was marginal and shortlived, as silting and organic pollution restored the degradated conditions in the absence of erosion control. The use of several biotic indices to assess stream conditions showed that these are often unsatisfactory in lowland streams.

FR:

Le foisonnement filamenteux des boues activées est un problème important dans les stations d'épuration du type Boues Activées, car il peut entraîner des pertes de biomasse avec l'eau épurée. Les techniques de lutte utilisées actuellement sont, soit des techniques dites « biologiques » (sélecteurs), soit des techniques chimiques (floculants, biocides). L'objectif de notre travail a été la mise au point d'un procédé original basé sur la création d'une zone de turbulence pour casser les réseaux filamenteux. La réduction et le contrôle du bulking sont obtenus par passage (de durée limitée T₁) de la biomasse dans un système venturi, équipée d'une prise d'air. L'efficacité du procédé dépend principalement de la turbulence due à l'auto-aspiration d'air au niveau du rétrécissement du venturi. Cette turbulence contribue d'une part au mécanisme de « cisaillement » des filaments, et d'autre part à la qualité de l'effluent sortant. Une gestion adaptée (aération séquentielle en procédé à faible charge) permet d'obtenir, outre une amélioration de la décantation, une amélioration de l'élimination de l'azote. De plus, le contrôle de la biomasse optimise l'élimination de la pollution carbonée.

EN:

The loss of biomass in a waste water plant as a result of sludge bulking is an important problem. Biological (ex.: selector configuration) or chemical (ex. : floculating reagents, biocides...) methods habe been used in order to control bulking. A new process based on the generation of turbulence to break the filaments is described. To reduce and control sludge bulking, the biomass is pumped through a venturi equipped with an air inlet. Figure 1 represents the pilot scheme. Two processes can be used : the emulsor with air is introduced on recycling of sludge or is placed in an independent loop. Here, it is the latter that has been used.

We tried to reduce bulking by mechanical treatment. The hydrodynamic efficiency of the process depends mostly on the degree of turbulence generated by the waters speed and by the suction of air in the constricted part of the venturi.

During the first trials on the plant, we defined the maximum turbulence allowed in order not to break the floc. We could not use a big aeration to prevent defloculation.

The main factors to reduce bulking are :

- the sequences of usage of the emulsor venturi (the periodicity of the treatment is T),

- the speed of the water in the nozzle of the venturi (we can refer to the Reynolds Number Re = Ud/ʋ; but this number can’t really represent the turbulence created),

- the duration of the emulsor's application. The emulsor venturi is used during a period T₁ with a periodicity T (T>T₁),

with T₁ : n X (V_R/q_v) where V_R/q_v is the contact time in the venturi and n is the frequence of recycling.

During the period T, it is possible to use continuous aeration or to work with sequential aeration.

a) continuous aeration

|_________________________| T

Time between two applications of the venturi

|_______________| T₁

Venturi duration

The process is the same as the aeration of activated sludge. COD is reduced but only with low load, significant nitrification occurs. Figure 5 shows the efficiency of the continuous aeration process especially versus the sludge index parameter.

b) sequential aeration

As we try to remove nitrogen, the sequential aeration is more useful than continuous aeration. A cycle is divided in two periods (T₂, T₃ with T = T₂ + T₃), and of course, the duration of the venturi use equal to T₁.

|_________________________| T

Time between two applications of the venturi

|_____________| T₁

Venturi duration

|_________________| T₂

Aeration duration

          |_____| T₃

Anoxic period

Figures 6 and 7 show the efficiency of the emulsor if we consider l_B (sludge index) as the main parameter for the sequential operation (T₂, T₃) and it's also possible to obtain a good removal of nitrogen pollution.

Our operations parameters were for these experiments :

T = 8 or 12 hours

T₁ between 20 min. and 1 hour

T₂ between 4 and 5 hours

This process is now patiented and the first industrial applications are now defined.

FR:

La végétation aquatique et du bord de l'eau du Bocq (Condroz, Belgique) et de ses trois principaux affluents a été décrite à partir de plusieurs centaines de relevés, à la fois de végétation et de milieu (environ 60 variables). En plus, des analyses détaillées d'eau ont été faites dans 21 prélèvements. Les tableaux de données ont été étudiés de manière séquentielle : - l'analyse des totaux marginaux, - l'analyse des motifs des lignes, - la simplification des tableaux, - et les analyses multivariables comme l'analyse en composantes principales, l'analyse des correspondances, la gradation non métrique multidimensionnelle et diverses techniques de classification automatique.

Différents groupements aquatiques ou des berges sont alors décrits, cartographiés et mis en relation avec différents facteurs de l'environnement. La nette influence de la pente, du degré de minéralisation, de la teneur en dérivés d'azote et de phosphate et de l'action humaine, sur le répartition des macrophytes sont facilement révélées. Les résultats sont comparés avec ceux obtenus par le système de Braun-Blanquet ou d'autres approches.

EN:

The Bocq river (45 km long) and its main tributaries, the Crupet river (11 km long), the Petit Bocq (10 km long) and the Leignon river (11 km long) flow in the Condroz, to the south of the Sambre and Meuse line. The streams generally run across pastures, woods or villages : cultures are not important. The concentration of hydrogen carbonate in water is generally high.

River vegetation was observed in a set of 362 relevés, having a lengh between 10 and 100 m. The streams were divided into 1 km sections and in each section, three relevés were chosen, in three different environmental conditions except in the Crupet river and in every top section of the three other streams in which all the relevés were contiguous. For each relevé, the aquatic and amphibious macrophytes were listed and the abundance of some species was estimated with a 1-5 index. Several environmental features were noted such as width and depth of the channel, the main types of substrate, the general slope, the characteristics of the bank, the type of edge vegetation, the type of landscape, the rock type, the sources of damage and chemical parameters. Some of these variables were divided in 0-1 modes, so only qualitative variables were used. Detailed physico-chemical and chemical analyses were carried out from 21 samples, in 1987 and 1988. Our aim was to give a simple and complete description of vegetation and environment, so that it would be possible to observe the evolution (natural or not) of the stream.

For each stream, species x relevés and environmental features x relevés tables were established. The data processing was sequential, in four steps : - the examination of the marginal distributions, - the pattern analysis of the lines, - the simplification of the tables by suppressing the rare and unstructured species or variables, - the replacement of the columns by a smaller number of blocks (one or two block sites were used and for each site, only the structured species or variables were kept), - the multivariate analyses of the simplified tables with principal component analysis, correspondence analysis, non-metric multidimensional scaling and cluster analysis (only with transformed data from the multivariate analyses). Vegetation or vegetation and environment tables were used.

The principal component analysis of the chemical parameters revealed the importance of the calcium hydrogen carbonate complex (first axis), of the nutrients like N and P (second axis) and of Ion Na (third axis).

The following groupings were then defined and mapped : grouping with Caltha palustris and Lychnis flos-cuculi, with Juncus effusus, with Myosotis scorpioides and Scraphularia auriculata, with Cirsium oleraceum and Petasites hybridus, with Berula erecta and Callitriche platycarpa, with Elodea canadensis, with Callitriche obtusangula, with Sparganium emersum, with Fontinalis antipyretica and Ranunculus fluitans for the Bocq; with Ranunculus fluitans, with Fontinalis antipyretica, with Alopecurus geniculatus and Apium nodiflorum, with Nasturtium officinale and Rumex conglomeratus, with Festuca gigantea and Fraxinus excelsior, with Polygonum bistorta, with Polygonum amphibium, with Typha latifolia, with Cardamine amara and Chrysosplenium opppusitifolium for the Crupet river; with Alnus incana, with Polygonum hydropiper, with Scrophularia aurilata for the Petit Bocq; with Epilobium parviflorum and Lotus uliginosus, with Callitriche obtusangula, with Fontinalis antipyretica for the Leignon river.

The main Matures which influence vegetation are : the general slope (or current velocity), the calcium hydrogen carbonate complex, nutrients like N and P and anthropic influence. The effluents of Ciney are responsible of a severe organic pollution in the bottom part of the Leignon river and in several km of the Bocq. Our results are compared with those obtained with the Braun-Blanquet system or other approaches.

FR:

Cet article traite de la représentativité des prélèvements d'eau effectués dans le cadre de suivis de bassins versants ou de rivières.

Les réflexions proposées sont en premier lieu basées sur des expérimentations de laboratoire et de terrain destinées à comparer divers systèmes et modalités de prélèvements. Les résultats obtenus montrent en particulier que les prélèvements de matières en suspension de dimensions > 100 µm sont peu fiables alors que ce type de particules présente, dans certain cas, une contribution non négligeable aux flux de phosphore total.

Les suivis réalisés en divers points représentatifs de petits bassins expérimentaux fournissent des éléments de discussion complémentaires sur le choix des sites des prélèvements et sur les pas de temps de ceux-ci. Nous montrons entre autre, toute l'importance de saisir le début des crues dans les bassins à forte pollution ponctuelle et de considérer des suivis des périodes suffisamment longues pour intégrer les divers fonctionnements hydrochimiques du bassin versant étudié.

EN:

Water and suspended matter sampling in hydrographic networks is studied through various sampling systems and procedures, and through devices used in fields and in laboratories (fig. 1).

Large size particles tend to be underestimated whatever the sampling procedure (manual or automatic) (fig. 2, 3). On the other hand, the sampling for soluble elements and small site particles (less man 50 µm) is very reliable. This is observed in suspended matter concentrations, eg < 2 g.l^-1.

The largest particles of suspended matter sometimes contribute to nutrient transfer, e.g. phosphorous. This however depends upon the presence of soil microaggregates and nutrient geochemistry. Moreover, natural hydrological variations give rise to another problem for sampling, especially for suspended matter (fig. 7, 9, 10, table 2).

Comparatively the variation due to preservation of water is of secondary importance (fig. 11).

However, thanks to results from monitoring in experimental watersheds, it is possible to find the best sampling station and the hast time to carry out sampling (fig. 12, 13; fable 3).

Duration of survey and intervals between each sample depend, of course, upon the objectives of the study, but also upon watershed characteristics. Considering these characteristics, we propose an example of sampling stategy in the text (table 6, fig. 5).

FR:

La détermination de la capacité complexante des eaux naturelles est généralement effectuée par titrage ampérométrique du cuivre à pH fixé. Beaucoup, sinon tous les tampons classiques utilisés perturbent les études de spéciation du cuivre par formation de complexes peu stables. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à la complexation du cuivre par les ions carbonates généralement présents dans les eaux naturelles. Afin de mener à bien notre étude, nous avons mesuré, dans un milieu synthétique de force ionique et pH contrôlés (KNO₃ 0,02 M + NaHCO₃ 2,38.10^-3 M) toutes les constantes des divers équilibres prévisibles : produits de solubilité de l'hydroxyde de cuivre Cu(OH)₂ et de la malachite Cu₂ (OH)₂ CO₃, constante de formation du carbonate de cuivre dissous CuCO₃. A des valeurs de pH suffisamment faibles, la formation du complexe CUOH+ peut étre négligée. Les trois autres réactions ont été suivies race aux mesures combinées, d'une part du pH et, d'autre part, de l'activité en ion Cu²⁺ libre ou hydraté par ionométrie. Compte tenu des propriétés acido-basiques des diverses espèces, les mesures ont été effectuées à divers pH compris entre 5,5 et 8. Le complexe CuCO₃⁰étant l'espèce majoritaire dans ces solutions, sa labilité, pouvant perturber follement les déterminations des capacités complexantes par titrage ampérométrique, a été étudiée par diverses méthodes électrochimiques. La polarographie à tension sinusoïdale surimposée (AC) a indiqué une réduction rapide du cuivre (II) sur électrode de mercure. Deux vagues ont été obtenues en voltampérométrie sur électrode tournante à disque de platine (RDE), ce dédoublement étant d'origine cinétique compte tenu de l'évolution de ces vagues avec la température. Une estimation des valeurs des constantes de vitesse de formation k_f et de dissociation k_b, a permis de montrer la rapidité des réactions mises en jeu et la labilité du complexe CuCO₃⁰.

EN:

The determination of the complexing capacity of natural waters by amperometric copper (II) titrations must be made in pH-buffered solutions. Most if not all of classical buffers influence copper speciation through the formation of weak complexes. This paper deals with an attempt to use the naturally occurring hydrogenocarbonate buffet. A detailed study of copper (II) chemistry in synthetic solutions at controlled ionic strength and pH (0.02 mol.l^-1 KNO₃, 2.38 mol.l^-1 NaHCO₃, controlled Pco₂) was carried out. In these solutions copper (Il) chemistry may involve precipitation of copper hydroxide Cu(OH)₂, copper hydroxycarbonate Cu₂(OH)₂ CO₃ (malachite) and formation of the soluble complexes CuCO₃⁰ and CuOH+. At low enough values of pH CuOH+ formation may be neglected. The three other reactions are studied using copper ionometry with a specific electrode and equilibrium constants determined in the 5.5 to 8.0 pH range. As CuCO₃⁰ is a major species in these solutions its lability is of major concern for the validity of the amperometric determination of the complexing capacity by copper (II) titration and bas been studied by several electrochemical approaches. AC polarography indicated a rapid reduction of copper (II) on the mercury electrode. Two waves were obtained for the deposition of copper (Il) by voltamperometry with a rotated platinum disk electrode (RDE) presenting the characteristics of a kinetic control. However the values of the forward (k_f) and backward (k_b) reaction rate constants for CuCO₃⁰ formation or dissociation seem too high for a precise determination.

FR:

L'utilisation des indices oligochètes relevés dans la littérature pose un certain nombre de problèmes conceptuels et pratiques lorsque l'on étudie des lacs de taille réduite, le rôle des sédiments dans la distribution des oligochètes étant la plupart du temps ignoré.

A partir d'analyses en composantes principales normées (ACP) comprenant, comme variables actives, 12 variables physico-chimiques des sédiments profonds de 12 lacs situés dans le Jura et les Vosges, nous avons projeté, en données supplémentaires, la physico-chimie des eaux et des variables biologiques (nombre d'espèces et effectifs d'oligochètes).

Les analyses mettent en évidence un premier facteur F1, commun aux sédiments de tous les lacs étudiés et caractérisé par un antagonisme entre la matière organique (C, N, P) et les carbonates. Ce facteur est considéré ici comme exprimant une capacité métabolique des plans d'eau à minéraliser la matière organique. Les variables physico-chimiques des eaux se projettent sur cette structure et ne contredisent pas la signification accordée au facteur F1. Les variables biologiques ne se révèlent fortement corrélées qu'avec F1, et s'opposent aux variables décrivant les teneurs en matières organiques.

Par une régression multiple où la variable à expliquer est constituée par la première coordonnée factorielle des stations d'échantillonnage, on obtient l'indice EOLA = nombre d'espèces d'oligochètes + 3.log10 des effectifs d'oligochètes/0,1 m², qui est corrélé avec la structure physico-chimique mise en évidence dans les ACP. Cet indice est considéré comme une potentialité biologique liée à la capacité des lacs à minéraliser la matière organique, capacité qui peut se révéler faible en raison de la présence d'apports d'origine autochtone ou allochtone (en particulier les rejets humains).

EN:

Oligochaetes are often considered as good descriptors of the ecological situation in lakes. Unfortunately, the rote of sediments in the distribution of species is not well known, particularly in mail lakes. This problem needed re-examination, the importance of the sediments being emphasized. Twelve physico-chemical variables of the sediments (table 2) were taken into account and analysed by means of a standardized principal component analysis (PCA). The physico-chemical variables of the waters as well as the biological variables (species richness and abundance of oligochaetes, table 2) were projected as supplementary data in the PCA.

The first principal component is characterized by an opposition between the organic matter (C, N, P) and the CaCO₃ contents of the sediments (table 3). The second factor represents the total phosphorus. Lakes from cristalline area (Longemer and Gérardmer) are very contributive to the factor 2 as the total phosphorus contents of their sediments are very high (fig. 1 and table 6). When these lakes are removed from the data set, the second PCA indicates no changes in the signification of factor 1 (table 4). In both analyses, physicochemical variables of waters are correlated with the first factor, and do not contradict its signification. Biological variables are only correlated with factor 1 and show an opposite direction to organic matter (fig. 2).

It is suggested that the first factor represents the capacities of the lakes to mineralize the organic matter. The first co-ordinates of sampling stations (COF1), the mean number of oligochaete species (NSPS) and the mean log10 of their abundance/0.1 m² (EFFE) were compared by means of a multiple regression (table 5). The following biological index is obtained : EOLA = NSPS + 3EFFE. This oligochaete index is related to the factor 1 and it is suggested that if gives an assessment of the biological potentialities of lakes, these potentialities being related to the mineralizing capacities. Low values of the index EOLA are obtained both from human and natural organic enrichment.

FR:

Proposé au début des années soixante par W.J. OSWALD, le lagunage dit « à haut rendement », utilisé pour l'épuration d'eaux usées domestiques, représente un écosystème hypereutrophe. Il se distingue considérablement du lagunage naturel par des temps de séjour très courts (2 à 12 jours), de très faibles profondeurs (< 1 m) et par une agitation constante de façon à favoriser le développement algal.

Cette étude a pour objectifs de : 1) caractériser les successions saisonnières du zooplancton dans un écosystème où celles-ci n'ont pratiquement pas été étudiées et 2) étudier l'impact, sur la structure du peuplement et au fil des saisons, du temps de séjour des eaux à traiter.

Le suivi du peuplement zooplanctonique a été réalisé pendant une période de deux ans dans deux bassins à haut rendement (nommés A et B) de même configuration alimentés en eaux usées. Les temps de résidence des eaux à traiter sont constants et de huit jours dans l'un, variable et ajusté selon l'ensoleillement et la charge entrante dans l'autre.

Les résultats obtenus sont analysés par une classification hiérarchique avec contrainte de contiguïté temporelle. Les groupes obtenus sont ensuite testés par l'analyse discriminante. Les résultats sont regroupés chronologiquement : en six groupes pour le bassin B et en dix groupes pour le bassin A. L'analyse discriminante montre que les Crustacés et les Rotifères sont respectivement responsables des regroupements dans les bassins B et A. Pendant la période de démarrage du lagunage ainsi qu'en automne et en hiver, le zooplancton est principalement composé de Protozoaires : Ciliés libres ou fixés en fortes densités (jusqu'à 2,7.10⁷ ind. 1^-1) et Rhizopodes (Amibes). Au printemps et en été, lorsque le rayonnement solaire devient important, la production primaire étant optimale, les Protozoaires sont remplacés par des brouteurs herbivores métazoaires. La production de Rotifères et de Daphnies dont les exigences en nourriture (microalgues) sont considérables est importante au printemps ou bien en été uniquement dans le bassin à temps de séjour court. Le développement des Crustacés Copépodes et Ostracodes est favorisé en été dans le bassin à temps de séjour plus long.

Tous ces organismes participent activement à réparation. ils se nourrissent pour la plupart en filtrant les éléments en suspension dans le milieu et participent directement à l'élimination des MES et de la DCO (PIZAY-PARENTY, 1985).

II devient donc envisageable, par suite du rôle non négligeable joué par le zooplancton et surtout par Daphnia magna, de concevoir une gestion du lagunage qui favoriserait le développement de ce Cladocère. Cette biomasse facilement récupérable par tamisage peut être valorisée en aquaculture.

EN:

High rate ponds for wastewater treatment have been the focus of much attention since their creation by W.J. OSWALD in the early 1960's. These aquatic ecosystems are hypereutrophic because of massive nutrient introduction by wastewater influents. These kinds of ponds are very different front natural biological ponds because of short residence times (2 to 12 days), shallow depths (<1 m) and constant mechanical mixing which improve alga : growth.

This study presents the following objectives : 1) to characterize seasonal successions of zooplankton in this ecosystem where they are unknown and 2) to study residence time influence on zooplanktonic successions in function of seasons. Our investigation consists in studying two similar high rate ponds of 48 m² surface area and 35 cm depth constantly stirred by paddle wheels.

Only residence time is different. The first pond has eight days residence time and in the second one, it changes with solar radiations and organic matter concentrations. The influents come from a primary pond of eight days residence time, fed continuously with domestic influents front a small town, Mèze. The aim of this experiment is to compare seasonal successions in these two high rate ponds (called A and B) with different residence times. Zooplanktonic investigation has been carried out for two years. One sample was collected twice a week in primary pond effluent and two others samples collected once a week into the two high rate ponds near the outflow areas. The results of chronological clustering take inter account the discontinuities of zooplanktonic structure. We obtain six sequences in B pond and ten groups in A pond. Stepwise discriminant analysis shows that Crustaceans and Rotifers are respectively responsible for chronological clustering in B and in A pond. During the sterling period of wastewater treatment and in autumn and in winter, photosynthesis is low and zooplankton is composed mainly of Protozoa : free-living or fixed Ciliates in great concentrations (until 2,7.10⁷ ind. l^-1) and Rhizopods (Amæba sp.). These organisms have important food needs (bacteria and algal detritus). During spring and summer, as solar radiations become important, Protozoa are replaced by metazoan grazers. Spring or summer with short residence times increase Rotifers or Daphnia magna production white summer with longer residence times increase Cyclops sp and cypris ovum production. All these organisms are active components of wastewater treatment : the consumption of particulates by zooplankton Increases TSS and COD removal efficiencies (PIZAY-PARENTY, 1985).

Therefore, because of the filtering activity of Crustaceans (especially of Daphnia magna), it seems possible to conceive a new pond managment, with residence time changes, favourable to exponential algal growth and consequently to crustacean biomass production. It is easier to harvest this biomass (with nets) than to harvest algal biomass, which still presents problems.