Volume 2, numéro 2, 1989

FR :

Les caractéristiques hydrogéochimiques des réservoirs profonds du domaine alpin occidental sont abordées par le biais du système hydrominéral d'Allevard (France). Le volume des données et la variabilité des caractéristiques qui en découle, permettent de considérer cette source comme un exemple représentatif des sources thermominérales du domaine alpin occidental. L'étude combinée de ces données relatives à l'hydrochimie, à la géochimie isotopique, à la présence de gaz et d'éléments traces, confrontées au contexte fissural et structural des réservoirs, permet une approche cohérente des circulations profondes.

On propose en conclusion un modèle qui pourrait être généralisé aux systèmes thermominéraux situés dans un contexte structural comparable (front de chevauchement des massifs cristallins externes; front de chevauchement briançonnais) et présentant un faciès semblable (eaux chloro-sulfatées). Ce modèle tient compte de mélanges entre eaux d'origine superficielle et/ou semi-profondes et d'eaux d'origine profonde.

EN :

Investigations of the hydrogeochemical and structural characteristics of groundwater flows in an Alpine hydrothermal reservoir (Allevard Massif, French Western Alps) are carried out in order to define the origin and genesis of thermal and mineral waters.

The geological formations constituting the Allevard Massif consist of a Hercynian basement and a continuous sedimentary cover from Carboniferous to Middle Jurassic. The basement is composed mainly of micaschists, the sedimentary cover of Paleozoic clastic deposits : Triassic formations (evaporites, dolomites, limestones); Liassic calcareous marls, schistics marls and Limestones. A groundwater outlet (Allevard Spring) from this reservoir is located in the calcareous terrains of Lias.

The basement-cover contact is a major N40 subvertical fault. Faulting tectonics and subsequent rock fracturing is important for the hydrogeology of the area under study since the geological formations are initially impermeable (except for the Triassic terrains). Observations of underground galleries in the neighbourhood of the spring showed the presence of water outflows located on N40 strike-slip faults affecting both the basement and the Liassic terrains. The role of faulting tectonics in groundwater occurrence is indeed clearly emphasized by the position of the Allevard Spring at the intersection of two major faults with N60 and N140 trends.

Available data cover nearly a hundred years (1888-1930) and emphasize the great variability of the chemical features of the spring water. This is related to the tact that the water outflowing from the spring is a mixture in varying proportions of waters from different sources. Combined interpretation of the structural characteristics, isotopical (³H; ¹⁸O; ²H; ³⁴S) and chemico-physical (major and trace elements, gases, temperature, ...) data provides the basis of a working assumption on a flow and mixing model in which three different hydrogeological subsystems were distinguished : a surface subsystem comprising cold infiltration waters of a bicarbonate-calcium and a sulfate-calcium type; a subsurface subsystem constituted by the fissured Liassic calcareous terrains comprising part of the infiltrated waters which intermingle with much warmer waters of a sodium-chloride type originating from a subsystem located at a great depth. By means of geochemical indicators, a depth of nearly 4000 m has been estimated.

Such a model, in agreement with geological evidence and reported by some recent works showing that halite deposits are probable at great depths, could be generalized to other hydrothermal systems occurring within the framework of the French Western Alps in a comparable structural context (thrust front of the external metamorphic massifs; "Briançonnais" thrust front).

FR :

L'article décrit la partie hydrophysique d'un modèle écologique de simulation des transferts de carbone organique dans un cours d'eau pollué par le rejet d'une porcherie. Cette partie est constituée d'un modèle hydrodynamique inspiré du modèle de Saint-Venant, couplé à un modèle de transport basé sur l'équation classique de convection-diffusion. Ces modèles sont appliqués à un écoulement unidirectionnel, non uniforme et non stationnaire.

Les équations de ces deux modèles sont résolues par une méthode aux différences finies utilisant des schémas implicites. L'ajustement des paramètres est réalisé à partir de résultats d'expériences de traçage à la rhodamine.

Appliqués au carbone organique dissous de l'Albenche, les modèles montrent l'extrême étalement des nuages dû aux seuls phénomènes physiques. L'une des interprétations possibles de l'écart entre les valeurs expérimentales et les valeurs calculées au niveau de la station aval, peut être l'importance de la consommation du carbone par les biocoenoses benthiques.

EN :

A simulation model of organic carbon movement was designed for a river polluted by piggery wastes.

The physical dynamics of this model, as described in this paper, include a hydrodynamic component inspired by a Saint Venant's model coupled with a transport model based on the classical advection-diffusion equation. The model is applied to unidirectional, non-uniform, unsteady flow conditions.

The equations were solved by a finite difference method using implicit schemes. The parameters of the equation were adjusted to fit flow conditions determined with a rhodamine dye tracer.

When applied to the dissolved organic carbon transport in the Albenche river, the model showed that the distribution of organic carbon in space and in time was due to physical processes only. The differences in concentration between the observed and the expected values in the downstream station could represent the consumption of benthic biotic organic carbon.

FR :

Une approche pluridisciplinaire est menée à propos d'eaux souterraines carbo-gazeuses : au niveau des relations entre tectonique active et hydrothermalisme; sur les origines des composants aqueux et gazeux (CO₂) par analyse de compositions isotopiques (²H, ¹⁸O, ³H et ¹³C) et mises en équation des équilibres carboniques.

Trois exemples sont traités dans te Sud-Est de la France : le premier en région de socle métamorphique (émergence thermale chaude); les deux autres en domaine de couverture carbonatée épaisse (source karstique littorale froide et aquifère karstique peu profond).

La complémentarité des informations acquises permet de préciser d'une part, le rôle de certaines directions fissurales dans les cheminements souterrains par rapport au contexte sismotectonique régional; d'autre part, la genèse des eaux et leur âge relatif; enfin l'origine du CO₂ qui peut se révéler mixte (biogénique-mantellique) ou infracrustal.

Se dégage de la sorte une méthodologie d'étude de ces eaux particulières qui mérite d'être plus largement développée.

EN :

Comparison of fissural, isotopic and hydrochemical data constitutes an approach to geothermal phenomena which has several consequences. The examples which are given are taken from a present regional tectonic context which is characteristic of a drawing close of the African and the European plates. Its maximum horizontal stress is of a N-S SE trend. Consequently the fissural trends EW to ENE - NSW existing on the three areas under survey would play no major role in groundwater flows and rising of deep C.O. Such a significant role would be probably played by the joining of NS to NW trends, which at present act in extension (N-S fractures) or with transverse movements.

They are found either at the gazeous and carbonic outlets (bare basement) or in the neighbourhood of these outlets (less than 300 m distant) located in the covering (thickness 300 m). It can thus be assumed that the fissuration is at present continuous between the covering and the basement in the N-S direction. This assumption is in agreement with the present stress field and the associated deformations. So all these data make it possible to emphasize on one hand the role of some fractural directions in groundwater flow according to the regional sismotectonic context, on the other the origins of the waters as well as their relative ages and lastly the origin of the CO₂ which can be mixed (biogenic and from the mantle) or infracrusted. Such an approach has several consequences connected with :

1) geothermal phenomena : the water temperature and the survey of the hydrothermal flows can be considered as a preliminary survey for deep local hydraulic investigation,

2) seismic risks : the fact that the dissolved gas (i.e. CO₂) derives its origin from the mantle is an indicator of such risks,

3) The survey of deep geological accidents in particular within deep sedimentary caver : a methodology for the study of this particular type of waters which can efficiently be applied elsewhere is thus created.

FR :

Il y a environ 50 000 à 60 000 composés chimiques utilisés communément à des fins techniques. Certains d'entre eux sont toxiques et leur rejet dans l'environnement peut constituer une menace pour l'équilibre des écosystèmes aquatiques et pour la santé humaine. Plusieurs listes de substances dangereuses, appelées également polluants chimiques prioritaires, ont ainsi été établies par des organismes nationaux ou internationaux, notamment par l'EPA aux Etats-Unis, la CEE en Europe, l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS). La nécessité de protéger les milieux aquatiques et la santé humaine a par ailleurs amené le développement de standards, de critères de qualité des eaux naturelles et des eaux potables, vis-à-vis de ces contaminants chimiques.

Les sources de pollution sont diverses, se partageant entre les sources localisées comme les effluents urbains et industriels et les sources diffuses comme les eaux de ruissellement en zones rurales et en zones urbaines et les retombées atmosphériques. Différentes processus biogéochimiques déterminent les mécanismes de transport et de transformation des polluants organiques dans le milieu aquatique, et la bioaccumutation dans les organismes vivants représente un important aspect de ce comportement.

Une première évaluation de la qualité des eaux continentales (rivières, lacs, eaux souterraines) est effectuée en examinant les données recueillies à travers le réseau de surveillance mondiale de la qualité de l'eau (GENS/EAUX) mis en place par deux organismes des Nations Unies, l'OMS et le PNUE. D'autres sources d'informations, publiées dans la littérature scientifique, ont été également utilisées pour évaluer les niveaux de concentrations observés pour différents groupes de polluants organiques dans les eaux naturelles et les eaux potables. La plupart des données disponibles proviennent d'un nombre limité de pays industriels d'Amérique du Nord, d'Europe et du Japon. Il y a une dramatique absence d'informations concernant la qualité chimique des eaux continentales dans les pays les moins développés d'Afrique, d'Amérique Latine et d'Asie. A l'heure actuelle, la stratégie de surveillance des polluants chimiques à l'échelle mondiale est donc loin d'être réellement satisfaisante.

EN :

There are about 50,000 to 60,000 chemical compounds used for technical purposes. Some are toxic and the discharge of these substances in the environment can be a threat to the balance of aquatic ecosystems and to human health. Several lists of dangerous substances, also called major chemical pollutants, have been drawn up by various national or international bodies such as the EPA in the United States, the EEC in Europe or the World Health Organization (WHO). The need to protect the aquatic environment and human health has also led to the establishment of standards and of quality criteria for natural and drinking water subject to these chemical contaminants.

There are several sources of pollution, punctual sources such as urban and industrial effluents and diffuse sources such as run-offs from agricultural land and urban areas and atmosphere fallout. Various biogeochemical processes determine the mechanisms by which organic pollutants are transported and transformed in the aquatic environment. Bioaccumulation in living organisms represents an important aspect of their behaviour.

A first assessment of the quality of continental waters (rivers, lakes and groundwater) is made by examining the data collected by the international GEMS/WATER surveillance network carried out by two United Nations Agencies, WHO and UNEP. Other sources of information, published in the literature, were also used in order to determine the level of concentration of different groups of organic pollutants found in natural waters and in drinking water. Most of the data collected come from a limited number of industrial countries : North America, Europe and Japan. There is a serious lack of informations concerning the quality of continental waters in numerous countries in Africa, South America and Asia. At present, the procedure of global chemical pollution surveillance is far from satisfactory.

FR :

L'utilisation de la digestion anaérobie comme outil de dépollution présente de nombreux intérêts. la méconnaissance du processus a conduit à des incidents de fonctionnement qui ont induit une méfiance vis-à-vis du processus et une résistance à son implantation.

Les connaissances acquises ces quinze dernières années sur la digestion anaérobie ont permis de définir la nature des paramètres à contrôler pour surveiller l'écosystème et leurs plages de valeurs à respecter pour que le processus fonctionne bien.

Les paramètres sont de deux types : ceux qui vérifient que les conditions de fonctionnement imposées soient bien réalisées (comme les débits de liquide, la température, la concentration en DCO de l'alimentation) et ceux qui permettent de contrôler l'état biologique de l'écosystème (le pH, la teneur en H₂ dans tes gaz, la concentration en acides gras volatils...).

Les variations de certains de ces paramètres sont directement couplées à la modification du fonctionnement des microorganismes, d'autres ne sont que les résultats de la variation d'autres paramètres et n'ont donc pas la même importance pour exprimer les variations observées dans l'écosystème microbien.

Ces paramètres peuvent dans la plupart des cas, être mesurés de manière simple par des capteurs, ce qui permet d'envisager des contrôles en ligne et une conduite optimale de ces procédés. Ceci doit permettre de meilleures performances, en fonctionnement plus stable du procédé, notamment lors des surcharges organiques.

Le choix d'un (ou plusieurs) paramètres de contrôle doit répondre à certains critères, comme un temps de réponse court avec un maximum de variation. Après l'introduction d'une surcharge organique sur un filtre anaérobie de laboratoire, adapté sur vinasse de vin, nous avons comparé les variations de ces différents paramètres.

La pression partielle en H₂ et le débit de gaz sont détectés rapidement avec une variation d'amplitude de 50 pour H₂ et de 4 à 5 pour le débit. Dans la phase Liquide, les variations de pH et la teneur en carbone organique total apparaissent plus tardivement.

Lorsque les paramètres de contrôle atteignent des valeurs critiques, il est nécessaire d'engager des actions pour ramener l'écosystème microbien vers un fonctionnement normal. Celles-ci sont principalement, la diminution ou l'arrêt du débit d'alimentation ou l'addition d'une base.

La nature et l'amplitude de ces actions sont définies à partir d'algorithmes de types boîte noire ou par des modèles plus structurés. Actuellement la commande adaptative fait l'objet de recherches importantes. C'est à travers ces algorithmes que se situe l'introduction des critères de conduite optimale.

EN :

Utilization of anaerobic digestion in waste treatment is an extremely interesting method. Its main advantages are in its low energy requirement, a production of methane readily utilizable "in situ" and a very reduced production of microorganisms.

The lack of knowledge concerning this process led formerly to more or less serious breakdowns owing mainly to the organic overload of various origins. They created a certain suspicion towards this process and delayed its development.

For the past fifteen years, research has been carried out on the microbial ecosystem, its kinetics and its modelling. It has permitted to determine the different parameters involved and the values necessary to obtain good operating conditions.

These parameters can be divided into two categories : those indicating whether the recommended operating conditions are fulfilled, and those enabling to control the microbial ecosystem.

The former concern

- in the effluent : the pH, the COD concentration, the suspended solid content and the flow rate;

- the temperature, the liquid level, the recirculating flows and the volatile suspended solid (VSS) content (for the completely stirred tank reactor - CSTR -) in the digestor.

The parameters thanks to which the kinetics of the microbial ecosystem can be controlled are :

- for the liquid phase : the pH, the volatil fatty acids (VFA), the bicarbonate and the COD concentrations;

- for the gas phase : the flow rate, the gas composition (CO₂/ CH₄) and the hydrogen content.

Variations in certain of these parameters (VFA, H₂) are direcly related to changes in the microorganism activity or result from the variation in factors such as the gas composition, the pH, or the bicarbonate. In the expression of the variations in the microbial ecosystem these parameters are less important.

In most cases, these parameters can be measured by sensors which allow an optimal automatic control of the digestor.

The development of an optimal automatic control should improve the performance of methane-producing conditions, especially at starting point.

The choice of one or several parameters for an automatic control depends on several factors, such as its sensivity to variations and its response time to an organic overload.

The last two factors were measured for different parameters after an experimental overload of a 6 liter anaerobic filter used in the treatment of wine vinasse.

Partial hydrogen pressure and gas flow rate were the first parameters to change. The variation coefficients varied around 50 and 4 to 5 respectively. In liquid the variation in pH and total organic carbon (TOC), which, like COD, indicates the amount of organic matter, occured later. In our study, the pH varied little and TOC was multiplied by 3. The variations in gas composition, in VFA concentration and alkalinity due to bicarbonate were the last factors detected.

Utilization of hydrogen as a controlling parameter is therefore interesting because its concentration varies rapidly and more largely than the one of the other parameters. Moreover, it is much involved in the microbial ecosystem equilibrium.

When the controlling parameters reach critical values, operating conditions have to be modified to restore a good microbial activity.

The process can be modified :

- by the reduction or the stopping of the input rate;

- by the addition of a base;

- by the recycling of methane atone;

- or by the increase in the microorganism concentration in CSTR.

The nature and significance of these actions are defined on the basis of the data collected by the recording device. These values can be processes by black-box type algorithms, or by simple models derived from cognitive models. At present, research in adaptative control is in progress.

In these algorithms, we consider the optimal criteria leading to a stable process with either a maximum methane production, or a minimal COD (or TOC) in the output, or with both.

FR :

Les résultats de plusieurs études épidémiologiques prospectives récentes portant sur l'ensemble des catégories de baignades (eaux de mer, eaux de lacs, eaux de rivières) s'accordent pour montrer que les risques liés à la baignade dans les eaux polluées par les rejets des collectivités humaines, sont principalement des affections gastro-intestinales dont les taux d'incidence, similaires d'une étude à l'autre, sont toujours bien corrélés avec les niveaux d'abondance des streptocoques fécaux. Ce groupe de germes apparaît donc comme un indicateur de risque sanitaire et devrait à ce titre servir de paramètre de contrôle pour, mettre en évidence tes situations de pollution, suivre l'efficacité des processus épuratoires, et établir la conformité des eaux de baignade, ce qui n'est pas le cas actuellement.

A niveau d'indicateur égal les taux d'incidence des affections gastro-intestinales sont différents pour les eaux de mer et les eaux douces, ce qui rend discutable l'adoption de critères de qualité identiques pour les deux catégories de baignades.Certaines études seulement, mettent en évidence un autre risque sanitaire significatif, celui des affections dermatologiques. L'origine en est vraisemblabtement multiple, et ne peut être rattachée à ta seule contamination des eaux de baignade par les eaux usées.

EN :

Many recent prospective epidemiological studies (CABELLI, 1980 - EPA - of different marine waters, DUFOUR, 1984 - EPA - of lake waters, and CAREPS, 1987 - FRANCE - of a river water), give the same concordant results : the main health risks linked with bathing in waters contamined by municipal wastewater discharges are gastro-intestinal illnesses.

In all studies, a consistent correlation was established between this kind of disease and fecal streptococci concentration but there are few or no correlations with the two parameters (fecal and total coliforms), used at present, to establish the required quality of recreational waters.

Consequently, fecal streptococci, usually considered as fecal contamination indicators are also health risk indicators and they should be used as parameters for the assessment of pollution of natural waters, for the efficiency of treatment processes and for the quality of recreational waters. Obviously, regulations in European countries are at present based on the control of the level of fecal contamination and this is correct if occasional risks due to eventual diseases among populations are to be avoided; in fact, the systematic health risk must be taken into account and hence fecal streptococci should be used as a controlling parameter.

Guide and imperative values of the European directive are not justified by epidemiological studies : rates of objective gastro-intestinal complaints in populations of bathers, are at the same level (around 15 p 1000), for the quide value in fecal streptococci (100 FS/100 ml) and the imperative value in fecal coliforms (2000 FC/100 ml). Corresponding rates in populations of "non bathers" are around 4.5 p 1000 (a French study). Moreover for the same levels of differents parameters these rates are not the same in marine waters and in freshwaters. The same values for the two types of waters are questionable.

Skin diseases constitute another health risk, but the different studies have brought no definite answers to the problems of the sources of the diseases : these sources could be wastewaters of domestic origin, interhuman contamination during bathing or the natural characteristics of the water, such as the presence of particular germs. A relevant controlling parameter for this kind of health risk has net yet been found.