EPURATION DES EAUX USÉES PAR LAGUNAGE_EPFL_TH2653.pdf

8/10/2019 EPURATION DES EAUX USES PAR LAGUNAGE_EPFL_TH2653.pdf

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A Madame Chantal SEIGNEZ


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A ma fille Yasmine

A ma famille Lecocq en Suisse et en Belgique

A ma famille en Cte d'Ivoire

A l'amiti


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Remerciements

Au terme de ce travail, j'aimerais remercier la coopration suisse (DDC) et le Ministreivoirien de l'enseignement suprieur et de la recherche scientifique pour le soutien financieraccord cette thse.

Grce Monsieur Laurent K RAYENBUHL, ex-Adjoint Scientifique l'EPFL, mon rve deraliser ce projet de recherche en assainissement en Afrique s'est ralis. Il a su m'couter,m'orienter et m'introduire dans la coopration EPFL-EIER. Je le remercie pour cette chancequ'il m'a donn et aussi pour ces nombreuses marques d'amiti depuis notre rencontre.

J'exprime ma profonde gratitude mes directeurs de thses Prof. Christof HOLLIGER et MmeChantal SEIGNEZ du Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (EPFL) pour leursoutien inconditionnel, l'encadrement scientifique de ce travail et pour leur tmoignaged'amiti sincre. Ils ont su m'initier aux bases fondamentales de biologie molculaire etd'cologie microbienne, ce qui a non seulement enrichi mon travail mais aussi toute monapproche vis--vis des systmes d'puration.

Je remercie galement le professeur Paul PERINGER , Directeur du Laboratoire deBiotechnologie Environnementale (EPFL) qui a eu confiance en mon projet de thse et m'aaccept sans hsitation dans son quipe auprs de laquelle j'ai beaucoup appris.

Pendant ces annes de thses, tous mes sjours au Laboratoire de BiotechnologieEnvironnementale (EPFL) ont t des moments de rconfort et de revitalisation. J'ai eu beaucoup de plaisir partager du temps agrable tant sur le plan du travail que sur le plansocial avec tous les doctorants, les stagiaires et tous les collaborateurs du laboratoire : Mme Nevenka ADLER , Sylvie AUBERT, Mme Heidi BERNARD, Marc DERONT, Muriel GAILLARD,Simon K ENFACK , Jean-Pierre K RADOLFER , Milna LAPERTOT, Julien MAILLARD, SylvieMARCACCI, Dr. Sandra PARA, Roberta PAGLIARINI, Dr. Csar PULGARIN, Stphanie PEREZ,A NGELAR INCON-BENAVIDES, Victor SARRIA, Dr. Theo SMITS, Katia SZYNALSKI et BenoitZEN-R UFFINEN. Que toute cette formidable quipe trouve en ces quelques mots l'expressionde mes chaleureux remerciements.

J'adresse mes vives remerciements Frdric DAVOLI, Franck BOUVET et Jean-MarcFROEHLICH, coordinateurs de la convention EPFL-EIER, pour l'organisation de mes sjoursen Suisse, la participation aux diffrentes confrences et les soutiens multiples.

Au Burkina Faso, j'ai bnfici de l'appui inconditionnel du Directeur Gnral du groupeEIER-ETSHER, Monsieur Philippe MANG. Cet appui constant m'a dnou plusieurs nudset faciliter mon sjour l'EIER. Je lui adresse toute ma profonde gratitude ainsi qu' Mme

MILLOGO, Monsieur Jacques Andr MUHET et Monsieur Roger ESCULIER .J'ai beaucoup apprci le soutien des Chefs du Laboratoire d'Analyses des Eaux et des Sols del'EIER, Marie Jos Arnoux et Michle Roche qui j'adresse mes sincres remerciements.Elles m'ont ouvert les portes du laboratoire et faciliter mon travail. J'adresse galement mesvives remerciements BYLL-CATARIA, pour son aide prcieuse et constante lors descampagnes d'analyses, Monsieur Kokou DENIYGBA pour sa disponibilit, ses conseils et sonaide au laboratoire et Monsieur Omar SAWADOGO pour son aide indispensable.


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Je remercie le Dr. Ciss GULADIO du Centre Suisse de Recherche Scientifique en Cted'Ivoire qui m'a associ aux travaux de son quipe Epidmio-REU sur l'impact sanitaire de larutilisation des eaux en marachage et pour son concours prcieux au dmarrage de mesrecherches l'EIER.

J'exprime toute ma reconnaissance aux nombreux stagiaires qui ont partag avec moi des

moments difficiles de terrain, amis aussi des joies, et dont la contribution dans ce travail estinestimable. Ce sont : de l'EPFL : Nathalie SMOROZ (1998-1999), Vincent LUYET (1999), Guillaume

PIERREHUMBERT (1999-2000), Michael STEINER (2001-2002) de l'EIER : Mohamed Lamine DICKO (1999) et Pierre N'DRI (2001) de Lille, France : Claire L'HUILLIER (2002)

Pendant les phases de terrain, j'ai bnfici du concours prcieux de Monsieur Kassoum ZIDA,qui a assur l'entretien de la station exprimentale, son travail prcis et consciencieux a permis d'acqurir les donnes dans les conditions optimales de fonctionnement. Au serviceTechnique de l'EIER, je remercie vivement Monsieur Abdoulaye OUDRAOGO responsable dumagasin, les quipes de soudure, de menuiserie et d'lectricit.

Je remercie les responsables de l'Office National de l'Eau et de l'Assainissement du BurkinaFaso et les quipes du Centre Rgional pour l'Eau Potable et l'Assainissement faible cot(CREPA) pour m'avoir associ leurs travaux et la franche collaboration que nous avons eue.

Les jalons d'un rseau de chercheurs africains sur l'puration des eaux uses ont t possdurant ces annes de thses. Les changes dans ce rseau ont considrablement faciliter montravail et enrichi mes donnes bibliographiques, je remercie tous les collgues membresfondateurs de ce rseau, ce sont : Dr.Yves M. K ENGNE l'Universit de Yaound I, Dr. SaniM. LAOUALI de l'Universit Abdou-Moumouni de Niamey, Dr. Tahar IDDER , Aquadev Niamey, et, Dr. Seydou NIANG, M. Becaye S. DIOP et Mbaye MBEGUERE de l'UniversitCheick Anta Diop de Dakar.

J'exprime toute ma reconnaissance au Professeur Jean-Luc VASEL de la FondationUniversitaire Luxembourgeoise qui m'a accueilli dans son laboratoire et conseill dans lamodlisation de l'puration. J'adresse galement mes sincres remerciements tout lesmembres du jury de cette thse pour leurs critiques constructives et l'intrt port ce travail.

Je rends hommage Monsieur Mamadou TOUR et sa famille. Ils m'ont accueilli et introduit la vie au Burkina. Ils m'ont offert soutien et amiti pour rsister "aux vagues de chaleur".

Un comit de lecture international s'est propos pour corriger et amliorer la lecture dumanuscrit, je voudrais lui rendre un vibrant hommage, ce sont :

Ing Frdric DAVOLI, Laboratoire de Chimie Environnementale (EPFL) Dr. Marie GALMICHE, Laboratoire Biotechnologie Environnementale (EPFL) Dr Jolle PAING, Universit Montpellier I Mlle Monica R IEDER , Comit International Olympique

De nombreux amis, qu'il ne serait pas possible de citer ici, m'ont soutenu durant ces annes dethse, m'aidant ainsi tenir le cap. Que le seigneur les bnisse et les remplisse de joie et de bonheur. Cette thse leur est ddie.


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Stabilization ponds and water lettuce-based systems in West and CentralAfrica - State of the art, removal performances and design criteria

Abstract

Despite several projects undertaken so far, sanitation remains a huge challenge in West and CentraAfrica. Big cities are growing without sustainable solution for sanitation planning. Sewage systems anwastewater treatment plants are underdeveloped or absent.

Stabilization ponds have been introduced 30 years ago, but this low-cost technology remains marginal wastewater treatment systems. The climate context is favourable to develop a set of low-cost wastewattreatment plants, particularly macrophyte-based systems. Pilot scale studies show the enormou potentialities of such sustainable technologies for water pollution control and treatment. None of the fuscale applications works and this is due to the low economic level and the lack of political supportAnother important reason is the lack of training and research. This situation requires the development ofcollaborative network in which African researchers can share knowledge and promote sustainablwastewater treatment plants, as sanitation demand is growing exponentially in conjunction with th

population growth in the cities.Stabilization ponds account for only 7% of the whole wastewater treatment technologies built in West anCentral Africa, against 75% of activated sludge processes that in most cases failed. In spite of their baquality, the effluents are widely reused in urban agriculture. Experimental data showed a maximumremoval rate of 30 and 60% for COD and BOD5, respectively, and a maximum loading rate of 500 kgBOD/ha/d. Macrophytes-based systems are even more scarce (3%). The link of this technology wit potential risks of malaria has slowed down its development. Nevertheless, data from studies in Niameand Yaounde, and from rice culture irrigation zones showed that this correlation is not significant. Littlresearch is done on wastewater treatment technologies for local application. This is one more reason whthis study was based at EIER in Ouagadougou (Burkina Faso). The aim of this work was to determine th parameters for optimal removal performance and to elucidate design criteria of water lettuce-basewastewater treatment systems, possibly in combination with stabilization ponds to promote restrictivirrigation in market gardening.

In secondary treatment, the maximum admissible loading rate was found to be 500 kg BOD5/ha/d (400 mgBOD5/l). Above this value, sludge accumulation at the pond surface caused by intensive methanogenidegradation of the sediments lead to plants die-off. COD and BOD5 removal rate was not correlated toredox state or dissolved oxygen concentrations. This indicated that the removal was mainly due tsettlement and trapping of suspended solids in roots and sediments. Aerobic degradation remains low because the extent of oxygen release by plants cannot explain the yield obtained. COD and BOD5 removal performance reaches an optimum rate of 75 % and 85 % in two weeks hydraulic retention timerespectively. Regression equations between applied ( appl) and removed ( rem) loads is expressed by rem (COD) = 0.75 appl (COD) 10.4, (r 2 = 0.99). The first order kinetic constant for BOD5 removal, k T = 0.14

d-1

(or k T = 0.11 d-1

for the DCO) can be used for designing of treatment ponds with the equation from theInternational Water Association (IWA).

From the total nitrogen entering the treatment ponds, depending on the nitrogen load, between 44 and 60were removed in the configuration with three ponds and a HRT of 18 days. Nitrogen can be removed b plant uptake with the harvest, by settlement or trapping with the suspended solid or by elementarnitrogen formation which occurs by the combination of nitrification, denitrification, and anaerobiammonium oxidation. Nitrogen removal by plants was estimated to account for 10 to 39% in total nitrogeremoved from ponds with a HRT of 18 days based on the steady growing and nitrogen uptake rate found


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With a weekly harvesting rate of 50 % of total plant biomass in the ponds, the water lettuce growing ratand the nitrogen uptake were 50 1 g dry weight/m2 (182.5 t dry weight/ha/year) and 0.36 g N/m2/d(1314 kg N/ha/year), respectively. Trapping and settling of organic nitrogen present mainly in thsuspended solids fraction removed about 25-48 % of total nitrogen. It was found that water lettuce-basetreatment systems conserved quite large amounts of ammonium in the effluents, a fact that is favourabfor irrigation water reuse. Nevertheless, nitrogen loss by nitrification-denitrification occurred in watelettuce ponds, and perhaps even anaerobic ammonium oxidation. Nitrification became visible when COdropped below 140 mg O2/l. With nitrogen loading varying from 31 to 97 kg N-NH4+/ha/d, the ammoniumremoval rate varied from 15-40% with a HRT of 18 days and from 20-60 % with a HRT of 21 daysHence, 40-80% of the ammonium was conserved in the water lettuce-based systems.

In addition to conserve ammonium, water lettuce ponds also perform better than facultative ponds iorganic pollutant removal, 75% against 50% in DCO reduction, respectively. When discharging thfacultative pond effluent in a water lettuce pond, removal performance of the combined (upgraded) systeis equal to that of a water lettuce pond. Faecal coliform removal in the two systems is very close, threweeks were necessary to ensure a reduction of three logarithmic units in faecal coliform concentration.

To reach the objective of irrigation reuse, water lettuce-based treatment plants should not significantl

affect the availability of the treated water. It was shown that the additional water loss due to the presencof Pistia stratiotes is lower than 10% of the average evaporation rate of microphytes ponds.

Based on the results obtained during this study the following recommendations can be made. If the surfaoccupied by a plant is a limiting parameter, the footprint of the ponds can be decreased by designing water lettuce based system with ponds depth bigger than the recommended 70 cm. This depth has bee proposed to promote oxygen release in ponds, which was supposed to support aerobic oxidationAccording to our results, organic matter removal is not correlated to oxygen availability. In additionincreasing the pond depth could also increase the ammonium conserved in the effluent.

For restrictive irrigation, in market gardening, a hybrid system combining facultative ponds with watelettuce ponds is suitable, not only to secure the effluent quality, but also to reduce constrains related t

plant management.During this thesis, the beginning of a network for collaboration has been created between members odifferent research teams including the Abdou-Moumouni University in Niamey, the Cheick Anta DioUniversity of Dakar, the University of Yaounde and the Ecole Inter-Etats d'Ingnieurs de l'EquipemenRural (Ouagadougou) in Burkina Faso. Several topics investigated during this study should be studied more detail, and this best within the framework of this network of collaboration in West and CentraAfrica.


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RsumLa problmatique de l'assainissement des eaux uses en Afrique de l'Ouest et du Centre est un sujet qudemeure entier, malgr les nombreuses initiatives entreprises jusqu' ce jour. La plupart des villeafricaines se construisent sans un plan rigoureux d'assainissement, ce qui rend dsormais complexe lrecherche de solution. Les systmes de collecte et de traitement d'eaux uses et d'excreta sont trs peudvelopps voire inexistants.

Le lagunage a t introduit en Afrique depuis bientt 30 ans, mais cette technologie rustique d'puratiod'eaux uses n'a pas encore trouv sa place dans les concepts d'assainissement des villes africaines (unvingtaine de stations). Les conditions de temprature permettent d'envisager l'utilisation d'une multitudde technologies, notamment l'utilisation de plantes aquatiques flottantes pour le traitement des eaux useAu niveau exprimental, les procds de lagunages montrent de bonnes perspectives d'implantation, maaucune station n'a encore rellement fonctionn grande chelle, pour des raisons d'ordre conomique d'un manque d'appui politique. L'absence de formation et l'insuffisance de la recherche expliquengalement l'chec constat. Il devient impratif que les diffrents centres de recherches africaintravaillent dans un cadre lgal de collaboration et d'changes pour proposer des technologies adaptes cales populations se concentrent dsormais dans les villes et la demande en assainissement croit de faoexponentielle.

Ltat des lieux du lagunage en Afrique de lOuest et du Centre montre que le lagunage microphytereprsente seulement 7 % des technologies en place, contre 75 % de stations boues actives, qui son presque toutes l'arrt. En dpit de la qualit mdiocre des effluents issus de ces stations, ils sondirectement utiliss en agriculture urbaine. L'exprimentation des bassins facultatifs montre que lerendements maximum en DBO5 et DCO atteignent respectivement 60 et 30 % pour des chargesorganiques infrieures 500 kg DBO5/ha/j. Les installations macrophytes sont moins nombreuses (3 %).Le prjug selon lequel ce type de station pourrait amplifier le risque d'incidence palustre a contribu freiner leur implantation. Cependant, les travaux en cours dans les stations exprimentales de Niamey de Yaound, ainsi que ceux raliss dans les zones de rizicultures irrigues montrent que cette corrlation'est pas significative. Peu dtudes ont port sur les conditions d'implantation du lagunage dans lcontexte local. C'est l'une des raisons pour lesquelles cette tude s'est droule l'EIER, Ouagadougo(Burkina Faso). Les objectifs de ce travail taient d'une part, d'lucider les critres de dimensionnement de dterminer les paramtres pour une performance puratoire optimale, et d'autre part, de proposer uncombinaison judicieuse avec un bassin facultatif pour atteindre une qualit d'effluent compatible avec norme l'irrigation restrictive, en marachage.

En puration secondaire, la charge maximale admissible dans les bassins laitues deau a t dtermine500 kg DBO5/ha/j (400 mg O2/l). Au-del de cette limite, l'activit des mthanognes accentue laremonte de boues en surface et cela provoque la mort des plantes. L'abattement de la DCO et de la DBO5 n'est pas corrle au potentiel redox et la disponibilit de l'oxygne dans les bassins. Cela indique qul'limination de la pollution carbone est principalement due la sdimentation des MES et leufiltration par les racines des plantes. La dgradation arobie est ngligeable car le faible apport d'oxygn par les plantes ne peut expliquer les rendements observs. Les rendements optimaux atteignent 85 % pola DBO5 et 75 % pour la DCO en deux semaines de temps de sjour hydraulique. Les relations entrcharges appliques ( appl ) et charges limines ( elim) sont exprimes par lim (DCO). = 0.75 appl(DCO). 10.4 (r 2 = 0.99). La constante cintique de dgradation de la DBO5 k T = 0.14 j-1 (k T = 0.11 j-1 pour la DCO) permet de dimensionner les bassins laitues d'eau, en utilisant le modle cintique de l'IWA.

Le rendement d'limination de l'azote total est compris entre 44 et 60 % en 18 jours de temps de sjouselon la charge en azote applique dans les bassins. L'azote est limin par le prlvement des plantes avles rcoltes, par filtration et dcantation avec les MES ou par rduction en azote lmentaire. Cett


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dernire raction est ralise par nitrification et dnitrification, ou par oxydation anarobie dl'ammonium. L'exportation par les plantes reprsente 10 39 % de l'azote limin dans les bassins en 1 jours de temps de sjour. Avec une frquence de rcolte hebdomadaire de rcolte de 50 % de la biomasvgtale, la productivit de la laitue d'eau est maintenue constante, 50 1 g de matire sche/m2.j, soit182.5 t de matire sche/ha/an. Dans ces conditions, l'exportation maximale d'azote par les plantes est d0.36 kg N/m2/j (1314 kg N/ha/ha). La filtration et dcantation de l'azote organique avec les MES limine25 48 % de l'azote total admis dans le systme.

Les bassins laitues d'eau conservent une quantit importante de l'azote ammoniacal, ce qui est profitab pour l'irrigation en agriculture. Cependant, la prsence des plantes peut stimuler la perte d'ammonium pdes ractions de nitrification-dnitrification ou d'oxydation anarobie. La nitrification devient visibllorsque la DCO < 140 mg O2/l. pour des charges comprises entre 31 et 97 kg N-NH4+/ha/j, l'liminationde l'ammonium varie de 15-40 % pour 18 jours de temps de sjour 20-60 % pour 21 jours. Ainsi, 40 8% de l'ammonium est conserv dans les bassins laitues d'eau.

Pour la rutilisation en irrigation, la prsence de la laitue d'eau dans les bassins d'puration, dans les paysahliens, n'affecte pas de faon significative la disponibilit des eaux traites. En effet, cette tude montque, la perte d'eau supplmentaire due la prsence de Pistia stratiotes est infrieure 10 % del'vaporation moyenne observe sur un bassin facultatif.Sur la base des rsultats acquis dans cette tude, les recommandations suivantes peuvent tre formulePour rduire l'emprise au sol des bassins, la profondeur de ceux-ci peut tre augmente au-del des 70 cconseills dans la littrature. Cette profondeur tait propose pour optimiser l'oxygnation des bassins et dgradation arobie. Selon nos rsultats, l'abattement de la matire organique n'est pas corrl ldisponibilit de l'oxygne et de plus, l'augmentation de la profondeur des bassins favoriserait lconservation de l'azote.

Pour lutilisation des effluents traits en irrigation restrictive (marachage), une combinaison judicieusdes bassins microphytes et macrophytes est souhaitable, non seulement pour assurer la qualit des eaudes effluents, mais aussi pour limiter les contraintes lies la gestion de la biomasse vgtale.

Durant cette thse, les jalons d'un rseau de collaborations regroupant des chercheurs d'Afrique de l'Oueet du Centre ont t tablis. Les membres sont issus des quipes de recherche de l'Universit AbdouMoumouni de Niamey, l'Universit Cheick Anta Diop de Dakar, l'Universit de Yaound et l'Ecole InterEtats d'Ingnieurs de l'Equipement Rural au Burkina Faso.

Plusieurs initiatives entreprises dans le cadre de cette tude en collaboration avec ces quipes de rechercmritent d'tre approfondies, encourages et soutenues.


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Table des matires

Chapitre 1 INTRODUCTION 1 1.1. Contexte de lassainissement des eaux uses en Afrique de lOuest 2

1.1.1. Evacuation des eaux uses et des excreta 21.1.2. Agriculture urbaine autour des points d'eaux uses, impacts sanitaires 41.1.3. Technologie d'puration d'eaux uses 7

1.2. Objectifs 91.2.1. Objectifs spcifiques 9

1.2.1.1. Etat des lieux du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre 91.2.1.2. Etude exprimentale du lagunage microphytes et du lagunage laitues d'eau 1.2.1.3. Dimensionnement d'une filire d'puration pour la rutilisation des eaux uses 1

1.2.2. Approche mthodologique 10

1.3. Rfrences 11

Chapitre 2. ETAT DES LIEUX DU LAGUNAGE EN AFRIQUE DE L'OUEST ET DU CENTRE 13 2.1. Introduction 14

2.1.1. Historique 142.1.2. Place du lagunage dans l'assainissement collectif 16

2.2. Synthse des rsultats d'exprimentation des bassins facultatifs 182.2.1. Typologie des effluents traits et quivalent-habitant 182.2.2. Performances puratoires et modles empiriques de dimensionnement 18

2.2.2.1. Charges organiques admissibles 192.2.2.2. Performances puratoires 22

2.2.3. Modles cintiques de dimensionnement 252.2.3.1. Premiers essais de modlisation 252.2.3.2. Constante cintique 26

2.2.4. Abattement des bactries 282.2.5. Elimination des parasites 282.2.6. Dynamique du zooplancton et du phytoplancton 29

2.3. Etat des lieux du Lagunage macrophytes en Afrique de l'Ouest et du Centre 302.3.1. Risques lis la prolifration de moustiques 302.3.2. Le procd Charbonnel 31

2.3.2.1. Dcantation-digestion 312.3.2.2. Le lagunage macrophytes 322.3.2.3. Gestion et exploitation 32

2.3.3. Analyse des rgles de dimensionnement 322.3.4. Exprimentation des bassins laitues d'eau dans le Sahel 32

2.4. Synthse : le lagunage entre chec et espoir 342.4.1. Causes de l'chec 342.4.2. Raisons de l'espoir 35

2.5. Rfrences 37


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Chapitre 3. Dispositif exprimental 433.1. Prsentation de la station d'puration de l'EIER 44

3.1.1. Dcanteur primaire 443.1.2. .Filires de lagunage microphytes 443.1.3. Filires de lagunage laitues d'eau (Pistia stratiotes) 453.1.3.1. Amnagements hydrauliques 47

3.2. Gnralits sur Pistia stratiotes (L.) 493.2.1. Classification botanique 493.2.2. Description 493.2.3. Reproduction et propagation 493.2.4. Usages domestiques et thrapeutiques 50

3.3. Rfrences 51

Chapitre 4. HYDRODYNAMIQUE ET MODLE D'COULEMENT 53 4.1. Introduction 54

4.2. Evapotranspiration en prsence de Pistia stratiotes 544.2.1. Contexte hydrologique 554.2.2. Mthodes 564.2.3. Rsultats et discussions 56

4.3. Rgime d'coulement avec et sans cloisons amovibles 584.3.1. Modle de dispersion 584.3.2. Mthodes 60

4.3.2.1. Dtermination des temps de sjour par traage au lithium 604.3.2.2. Dtermination du temps de sjour rel 61

4.3.3. Rsultats et discussions 634.3.3.1. Dtermination exprimentale de l'indice de dispersion et du rgime d'coulement 6

4.4. Conclusions 664.5. Rfrences 67

Chapitre 5. MCANISMES PURATOIRES DANS LE LAGUNAGE MACROPHYTESFLOTTANTS: REVUE BIBLIOGRAPHIQUE 69

5.1. Introduction 70

5.2. Elimination de la matire carbone (MES, DBO, DCO) 715.2.1. Principes 715.2.2. Oxygnation par les plantes 725.2.3. L'influence des MES 735.2.4. La formation de dtritus 74

5.3. Elimination de l'azote et du Phosphore 745.3.1. Azote 745.3.1.1. Principes 745.3.1.2. Rle des plantes flottantes dans l'limination de l'azote 745.3.2. Phosphore 75

5.4. Mcanismes puratoires et paramtres environnementaux 76

5.5. Rfrences 77


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Chapitre 6. PARAMTRES ENVIRONNEMENTAUX ET MCANISMES PURATOIRESDANS UN BASSIN LAITUES D'EAU (PISTIA STRATI OTES ). 81

6.1. objectifs 82

6.2. Mthodes 826.2.1. Evolution des paramtres environnementaux en fonction de la charge organique (exprience 1) 6.2.2. Influence de la charge organique et azote sur l'volution de l'oxygne dissous (exprience 2) 8

6.3. Rsultats et discussion 856.3.1. Evolution de la temprature, du pH et du potentiel redox 85

6.3.1.1. Evolution de la temprature 856.3.1.2. Evolution du pH 866.3.1.3. Le potentiel redox 88

6.3.2. Elimination de la charge carbone 896.3.2.1. Evolution de l'oxygne dissous en fonction de la charge organique 896.3.2.2. Evolution de la DCO et des MES. 896.3.2.3. Rle de Pistia stratiotes dans l'limination de la pollution carbone 91

6.3.3. Elimination de l'azote 92

6.3.3.1. Influence de la charge azote et organique sur l'limination de l'ammonium 926.3.3.2. Influence de l'azote et du carbone sur la nitrification 926.3.3.3. Nitrification/dnitrification et assimilation de l'azote par les plantes 94

6.3.4. Elimination du phosphore dans un bassin laitues d'eau 96

6.4. Synthse 98

6.5. Rfrences 99

Chapitre 7. ELIMINATION DE LA POLLUTION CARBONE : PARAMTRES DEDIMENSIONNEMENT 103


7.2. Mthodes 1067.2.1. Le dispositif 1067.2.2. Protocoles d'exprimentation 106

7.2.2.1. Stratgie d'chantillonnage 1077.2.2.2. Mthodes d'analyse 109

7.3. Rsultats et discussion 1097.3.1. Rendement puratoire 1097.3.2. Paramtres empiriques de dimensionnement 111

7.3.2.2. Influence des conditions du milieu (Eh, O2) sur l'abattement de la pollution carbone 117.3.2.3. Relations entre les charges appliques et limines et entre les concentrations de l'influentet de l'effluent. 112

7.3.3. Constante cintique de dgradation de la DBO5 et de la DCO 1147.3.3.1. Charge maximale admissible 117

7.4. Paramtres de dimensionnement 1187.4.1. Profondeur des bassins 1187.4.2. Temps de sjour, charges admissibles. 119

7.5. Rfrences 120


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Chapitre 8. EVOLUTION DE L'AZOTE DANS LES BASSINS LAITUES DEAU 123 8.1. Introduction 124

8.2. Mthodes 1258.2.1. Rcoltes des plantes 125

8.3. Rsultats 1258.3.1. Les diffrentes fractions dazote dans linfluent et leffluent des bassins laitues d'eau 128.3.2. Productivit de biomasse 1268.3.3. Exportation de l'azote par la laitue d'eau 1278.3.4. Evolution de l'ammonium 128

8.3.4.1. Corrlation charges appliques/charges limines 1298.3.4.2. Constante cintique 131

8.3.5. Evolution des nitrates 1318.3.6. Bilan sur l'azote 1328.3.7. Explications possibles de la nitrification incomplte de l'azote 133

8.3.7.1. Conditions de nitrification 1338.3.7.2. Influence du potentiel redox et de l'oxygne dissous 1348.3.7.3. Influence de la profondeur des bassins 135

8.3.7.4. Mode de gestion des plantes 1358.4. Conclusions 135

8.5. Rfrences 137

Chapitre 9. COMPARAISON DES PERFORMANCES PURATOIRES DU LAGUNAGE MICROPHYTES ET DU LAGUNAGE LAITUES D'EAU 141


9.2. Mthodes 144

9.3. Rsultats et discussion 144

9.3.1. Elimination compare de la pollution carbone 1449.3.1.1. Rendements puratoires en puration secondaire d'un bassin sans plantes (E) et d'un bassin laitues d'eau 1449.3.1.2. Constante cintique de dgradation de la DBO5 et de la DCO 146

9.3.2. Elimination de l'azote 1499.3.2.1. Comparaison de l'limination de l'azote en puration secondaire 1499.3.2.2. Comparaison de l'limination de l'azote en puration tertiaire 149

9.3.3. Influence de la configuration des bassins sur l'abattement des coliformes fcaux 159.3.3.1. Comparaison bassins de maturation bassins laitue d'eau en puration tertiaire 15

9.4. Conclusions 156

9.5. Rfrences 157


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Chapitre 10. SYNTHSE : DIMENSIONNEMENT DU LAGUNAGE LAITUES D'EAU POURL'IRRIGATION EN AGRICULTURE URBAINE ET PERSPECTIVES 161

10.1. Etat des lieux 162

10.2. Utilit de la laitue d'eau dans l'puration d'eaux uses 16210.3. Critres de dimensionnement 16310.3.1. Priorisation des objectifs puratoires 16310.3.2. Traitement primaire 16410.3.3. Traitement secondaire 16410.3.4. Traitement tertiaire 167

10.4. Conclusions et Recommandations 16710.5. Rfrences 169


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Liste des Tableaux

Tableau 1.1 : Importance relative des technologies d'puration d'eaux uses en Afrique de l'Ouest et duCentre 7

Tableau 2.1 : Etat de fonctionnement du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre 17Tableau 2.2: Synthse de performances puratoires des bassins de stabilisation sous climat sahlien 20Tableau 2.3 : Donnes mtorologiques Ouagadougou et Niamey 21Tableau 2.4: Charges maximales admissibles sur un bassin de lagunage Niamey et Ouagadougou en

fonction de la temprature moyenne minimale. 22Tableau 2.5 : Comparaison des modles piston et mlange homogne pour l'limination de la DBO5 28Tableau 2.6 : Caractristiques et performances puratoires de stations d'puration de lagunage

macrophytes flottants en Afrique de l'Ouest et du Centre. 33

Tableau 3.1: Caractristiques des filires de lagunage microphytes de l'EIER 44Tableau 3.2 : Caractristiques des bassins de lagunage macrophytes de l'EIER 45

Tableau 4.1: Donnes climatiques Ouagadougou 55

Tableau 4.2 : Paramtres hydrodynamiques des bassins d'puration 64Tableau 4.3 : Calcul de l'indice de dispersion selon quelques modles de la littrature 64

Tableau 6.1 : Exprience batch 1 : Composition initiale des bacs d'essais en culture batch 83Tableau 6.2 : Exprience batch 2 : Composition initiale des bacs d'essais en culture batch 83Tableau 6.3 : Paramtres et mthodes d'analyses 84Tableau 6.4 : Evolution de la temprature en culture batch des microcosmes avec et sans laitues d'eau

(janvier 2001) 86Tableau 6.5 : Evolution du pH en culture batch dans deux microcosmes avec et sans laitues d'eau

(janvier 2001) 87Tableau 6.6 : Evolution du potentiel redox en fonction du temps dans les cultures de Pistia stratiotes lors

des expriences 1 et 2 88Tableau 6.7 : Rendement d'limination des MES, de la DCO et de la DBO5 dans des bassins laitues

d'eau en culture batch aprs deux semaines de temps de rtention 91Tableau 6.8 : Rendements d'limination de l'azote en fonction des concentrations initiales en DCO 92Tableau 6.9: Pourcentage de N-NH4+ limin par la biomasse et par nitrification-dnitrification 95Tableau 6.10 : Rendements d'limination du phosphore dans une culture de laitues d'eau pour diffrentes

concentrations initiales en DCO et N-NH4+ 97

Tableau 7.1 : Caractristiques des eaux l'entre de la station exprimentale. 108Tableau 7.2 : Constante cintique d'limination de la DBO5 partir du modle piston dispersif (kd ) et

du modle IWA de pollution rsiduelle (kT,), avec Cr = 10 mg DBO5/l 115Tableau 7.3 : Constante cintique d'limination de la DCO partir du modle piston dispersif (kd ) et du

modle IWA de pollution rsiduelle (kT), avec Cr = 20 mg DBO5/l 116

Tableau 8.1: Charge journalire en azote dans les influents et effluents de bassins laitues d'eau, en fonction des charges ammoniacale, aprs 18 jours de temps de sjour 126

Tableau 8.2 : Densit de Pistia stratiotes cultives dans les bassins d'exprimentation(en kg poids frais/m2) en fonction de la charge en azote 127

Tableau 8.3 : Densit et teneur en nutriment de Pistia stratiotes 128Tableau 8.4 : Contribution des diffrents mcanisme llimination de lazote total 132

Tableau 9.1 : Constantes cintiques de dgradation de la DCO dans un bassin facultatif (E) et un bassin laitues d'eau (P) en puration secondaire 146


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Tableau 9.2 : Comparaison des constantes cintiques de dgradation de la DBO5 dans un bassin facultatif (E) et un bassin laitues d'eau (P) en puration secondaire 147

Tableau 9.3 : Rendements d'limination et constantes cintiques (kT) de dgradation de la DCO dans une filire combinant un bassin sans plantes (E) et bassins laitues d'eau (P) avec unecombinaison de bassins laitues d'eau. 148

Tableau 9.4 : Rendement d'limination de l'azote en puration secondaire dans un bassin laituesd'eau (P) et un bassin sans plante (E) 150

Tableau 9.5 : Rendement d'limination de l'azote en puration tertiaire dans un bassin laitues d'eau plante (P) 150

Tableau 9.6 : Rendement d'limination de l'azote en puration tertiaire dans un bassins sans plante (E) 150Tableau 9.7 : Bilan azot dans un bassin sans plantes (E) en puration tertiaire 151Tableau 9.8 : Bilan azot dans un bassin laitues d'eau (P) en puration tertiaire 152

Tableau 10.1 : Relations entre les charges appliques et limines et entre les concentrations de l'influentet de l'effluent 165

Tableau 10.2 : Temps de sjour ncessaire pour atteindre une qualit d'effluent de 50 ou 75 mg DBO5/l par lagunage laitue d'eau 166


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Liste des Figures

Figure 1.1: Evacuation des eaux uses du centre ville dans le Canal Central de Ouagadougou 3 Figure 1.2 : Localisation des sites de marachage Ouagadougou en saison sche et saison pluvieuse 5 Figure 1.3 : Stockage d'eaux uses non traites pour une rutilisation en marachage, Kossodo,

Ouagadougou 6

Figure 2.1: Influence de la charge hydraulique sur les performances puratoires des bassins de stabilisation en climat sahlien 23

Figure 2.2 : Influence de la charge hydraulique sur les rendements puratoires des bassins facultatifs Niamey et Ouagadougou, et relation entre concentration influent-effluent pour des chargeshydrauliques infrieures 160 mm/j. 24

Figure 2.3: Evolution de la constante cintique d'limination de la DBO5 dans un bassin facultatif en fonction du temps : cas de Niamey et Ouagadougou pour des charges infrieures 500 kg DBO5/ha/j. 27

Figure 3.1 : Schma descriptif des filires dpuration de la station de lEIER 45 Figure 3.2 : Photo d'une laitue d'eau (Pistia stratiotes) extraite d'un bassin d'puration 46 Figure 3.3 : Schma descriptif de la filire laitues deau de la station de lEIER 46 Figure 3.4 : Bassins du niveau 2 aliments en parallle; dans cette configuration bassin laitues d'eau

( gauche) et filtre horizontal gravier ( droite) 47 Figure 3.5 : Vue gnrale des bassins laitues deau de lEIER 47 Figure 3.6 : Photo du dbitmtre OCM III 48 Figure 3.7 : Gouttire de rpartition l'entre du bassin 48 Figure 3.8 : Cloison verticale dispose 1 m de l'entre ou de la sortie des bassins 48 Figure 3.9 : Coupe verticale d'un bassin laitues deau avec trois cloisons 48

Figure 4.1: Pluviomtrie et vapotranspiration potentielle Ouagadougou 56 Figure 4.2 : Evapotranspiration de Pistia stratiotes en saison sche Ouagadougou en 2001 57 Figure 4.3 : Distribution des temps de sjour 58 Figure 4.4 : Appareillage de prlvement pour le traage au lithium 61 Figure 4.5 : Courbes de distribution des temps de sjour pour un bassin exprimental 63

Figure 6.1: Evolution de la temprature 10 et 30 cm de profondeur dans les bacs laitues d'eauet dans les bacs surface d'eau libre (Janvier 2001). 85

Figure 6.2 : Evolution du pH 10 et 30 cm de profondeur dans les bacs laitues d'eau (P) et dans lesbacs surface d'eau libre (E). 87

Figure 6.3 : Evolution de l'oxygne dissous 10 et 30 cm de profondeur dans une culture batch de Pistia stratiotes et abattement de la pollution carbone (DCO, DBO5 et MES) en fonction du temps 90

Figure 6.4 : Influence de la charge initiale en ammonium sur la disponibil it de l'oxygne dissous :mesure effectue 20 cm de profondeur sous cultures de Pistia stratiotes pour diffrentesconcentrations en DCO. 93

Figure 6.5: Evolution de l'azote avec la matire carbone : influence de N-NH4+ et de la DCO sur l'volution de N-NO3- 96

Figure 6.6 : Abattement du phosphore dans une culture de laitues d'eau pour des concentrations variablesen DCO et en ammonium 97

Figure 7.1 : Schma des configurations de bassins tudis 107 Figure 7.2 : Evolution temporelle des rendements d'limination de la DBO5 et de la DCO dans une

srie de 4 bassins laitue d'eau ayant des temps de sjour identiques de 6 jours/bassin. 110 Figure 7.3 : Corrlation entre charge applique et charge limine, et entre concentration l'entre et

la sortie en DBO5 et DCO totale dans un bassin laitues d'eau pour 6 jours et 12 jours detemps de sjour hydraulique 113


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Figure 7.4: Remonte et accumulation de boues la surface du premier bassin - dprissement de Pistia stratiotes sous fortes charges organiques, (en premier plan laitue d'eau la sortie du bassin). 117

Figure 8.1 : Evolution de la production de biomasse de Pistia stratiotes sur les bassins de la stationd'puration de Yaound, Cameroun 126

Figure 9.1 : Zone humide naturelle et techniques extensives d'puration d'eaux uses 143 Figure 9.2 : Evolution des rendements d'limination de la pollution carbone dans les filires PPP et EPP 145 Figure 9.3 : Evolution temporelle de l'abattement des coliformes fcaux en fonction des configurations 153 Figure 9.4 : Abattement compar des coliformes fcaux dans un bassin de maturation(E) et un bassin

laitues d'eau (P) aliments en parallle 154


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Abrviations

Paramtres

CF Coliformes fcauxDBO5 Demande Biochimique en OxygneDCO filtre Demande Chimique en Oxygne, sur chantillon filtr ( = 1.2 mDCO totale Demande chimique en Oxygne, sur chantillon non traitHRT Hydraulic Retention Time , temps de sjour hydrauliqueMES Matires En SuspensionN-NH 4

+ Azote ammoniacal N-NO 3- Nitrate NT Azote totalSF Streptocoques fcaux

Institutions

CIEH Comit Inter-Etats d'Etudes HydrauliquesCREPA Centre Rgional pour l'Eau Potable et l'Assainissement faible cotEAWAG Institut Fdrale Suisse des Sciences et Technologies de l'EnvironnementEIER Ecole Inter-Etats d'Ingnieurs de l'Equipement RuralEPFL Ecole Polytechnique Fdrale de LausanneFAO Fond des Nations Unies pour l'AlimentationOIEAU Office Internationale de l'EauOMS Organisation Mondiale de la SantONEA Office National de l'Eau et de l'Assainissement, Burkina FasoPSAO Plan Stratgique d'Assainissement de la ville de OuagadougouWHO World Health organization


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Chapitre 1 INTRODUCTION


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1.1. CONTEXTE DE LASSAINISSEMENT DES EAUX USEES EN AFRIQUE DE

LOUEST

Depuis l'indpendance, les problmes d'assainissement urbain se sont accentus dans la

plupart des pays africains. C'est dsormais un vaste problme multicritres et multi-acteursqui requiert de longues ngociations entre les scientifiques, les techniciens, les exploitants, lesgestionnaires, les entrepreneurs, les bailleurs de fonds, les collectivits locales et lesassociations de quartier [Maystre, 2000]. Il devient de plus en difficile de trouver dessolutions consensuelles et plusieurs initiatives ont abouti des checs. L'enjeu est dsormaisde taille car il faudra rsoudre en mme temps les questions relatives la collecte des eaux, leur traitement et envisager leur rutilisation saine, sans risque, pour faire face la raret de laressource en eau.

1.1.1. EVACUATION DES EAUX USEES ET DES EXCRETA

Depuis la "Dcennie internationale de l'eau potable et de l'assainissement", de nombreuxefforts ont t consentis dans le secteur de l'approvisionnement en eau potable et del'assainissement en Afrique. Les rsultats de cette campagne sont cependant mitigs en raisond'un dsquilibre croissant des rapports dmographiques entre zones rurales et zones urbaines,consquence de l'exode rural. On estimait dj en 1993 que prs de 78 % des villes africainesne disposaient d'aucun service formel d'vacuation et de traitement des eaux uses [UADEand OIEAU, 1993]. Avec une croissance dmographique deux fois plus leve que lamoyenne mondiale et une urbanisation acclre, la couverture des besoins en eau potable eten assainissement devient un objectif de plus en plus difficile atteindre pour la plupart des pays qui ne dpendent que du financement de la coopration bilatrale et multilatrale dans cedomaine. Ces insuffisances conduisent ainsi concentrer les problmes lis au manqued'assainissement dans les grandes villes, et plus particulirement les capitales, destinations

favorites de l'exode rural.Les quipements sanitaires, quand ils existent, sont domins par des systmesd'assainissement individuels qui gnrent de grandes quantits de boues de vidange : latrines(30 %) et fosses septiques (30 %). Les dispositifs d'assainissement collectif reprsentent peine 20 % des systmes rencontrs. Au Burkina Faso par exemple, prs de 70 % de la population utilisent des latrines rudimentaires. La forte densit des latrines et leur mauvaiseconception contribuent polluer les eaux de puits utilises pour la consommation humaine[Baba-Moussa, 1994], ce qui montre leurs limites d'application dans les villes africaines. Eneffet, la croissance dmographique acclre des villes a aussi engendr une augmentation duvolume des boues de vidange qui ne peuvent plus tre dissimules en petites quantits dans lanature comme par le pass. La production moyenne de boues de vidange est estime 120

m3

/j Ouagadougou et entre 300-400 m3

/j au Ghana [Strauss and Heinss, 1998; ONEA,2000]. Parmi les questions d'assainissement, la problmatique des boues de vidange constitueun des principaux dfis du nouveau millnaire en Afrique de l'Ouest. Cette problmatiqued'envergure est dsormais inscrite parmi les principaux axes de recherche du CREPA, avecdeux autres thmes majeurs qui sont : la problmatique des systmes de microfinancementdans l'assainissement et le dveloppement des rseaux d'gouts de faibles diamtres ou Small

Bore Sewer (SBS). Dans le cadre de ce programme, plusieurs projets ont dbut au Bnin, auBurkina Faso, en Cte d'Ivoire, au Mali et au Sngal pour faire un diagnostic de la filire degestion des boues de vidange, tablir l'tat des lieux des rseaux d'gouts de faibles diamtres


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Le volume des rejets anarchiques des eaux uses augmente avec la densit de la population etle dveloppement industriel. Ces rejets sont drains vers un exutoire aquatique naturel qui ne peut rsorber le flux massif de pollution [Adingra and Arfi, 1998]. Les volumes d'eaux usesquotidiennement rejets dans le milieu naturel sont estims 126 000 m3 Dakar, dontseulement 3 % sont traits la station d'puration de Cambrne [ENDA, 2000]. Les 24 000m3/j d'eaux uses collectes par le rseau d'assainissement de la ville d'Abidjan transitent dans

une station de prtraitement mcanise avant d'tre dverses en mer. Au Burkina Faso, lazone industrielle au nord de la ville de Ouagadougou rejette en moyenne 4 500 m3/j d'eauxuses industrielles dans le milieu naturel [ONEA, 2000]. Nos investigations montrentgalement que le Canal Central (Figure 1.1), initialement destin l'vacuation des eaux pluviales du centre ville, draine en moyenne 1000 m3/j d'eaux uses pendant les 9 mois desaison sche [Smoroz, 1999].

1.1.2. AGRICULTURE URBAINE AUTOUR DES POINTS D'EAUX USEES, IMPACTS SANITAIRES

Dans les pays sahliens, compte tenu de la raret de la ressource en eau, la rutilisation deseaux uses dans le marachage et l'horticulture est devenue une activit qui s'intensifie avecl'accroissement dmographique des villes et le chmage [Gerstl, 2001; Bagr, 2002]. Lemarachage est une activit agricole qui a t introduite en Afrique de l'Ouest avec l'arrivedes colons et qui prend de l'importance avec l'augmentation de la population urbaine. Lemarachage gnre environ 4 000 emplois pour la seule ville de Ouagadougou [Camara,1997]. Cette activit est une source de revenu qui permet de subvenir aux dpenses denourriture, de sant et d'clairage de nombreuses familles qui vivent le plus souvent dans desconditions de pauvret ou d'extrme pauvret [Agunwamba, 2001; Gerstl, 2001].

La ville de Ouagadougou compte 48 sites de marachages en saison favorable. Cependant, pendant la saison sche qui dure 9 mois, seuls quelques sites irrigus avec les eaux de barrages et les eaux uses sont permanents. Quatre de ces sites, reprsentant 60 % dessurfaces totales, dpendent directement des eaux uses urbaines ou industrielles pour

l'irrigation des cultures [Ciss, 1997]. Les eaux uses riches en nutriments sont parfois prfres aux eaux de puits lorsque les deux sources sont disponibles [Ag, 1996; Agunwamba,2001]. La rpartition des sites de marachage dans la ville de Ouagadougou (Figure 1.2)montre limportance de cette activit en saison sche.

Sur certains sites marachers tels que celui de la zone industrielle de Ouagadougou (Kossodo),des amnagements de fortune sont raliss par les marachers pour sparer les effluentsindustriels s'coulant dans le mme canal. En cas de doute, lorsque les effluents sontmlangs, ils gotent l'eau use pour vrifier le pH ou la salinit avant de l'accepter pourl'irrigation. Cette slection permet de stocker les eaux les moins les agressives pour les plantes(Figure 1.3).

L'tude sur l'impact sanitaire de la rutilisation des eaux uses en marachage Ouagadougou[Ciss, 1997] montre que le risque de prvalence de maladies hydriques est plus lev chezles marachers et leurs familles que dans le reste de la population. La prvalence pour

Ankylostome chez les enfants de marachers est de 10.80 6.68 % contre 1.40 0.43 % pourla population gnrale. Pour les adultes, ces chiffres sont respectivement de 40.67 7.38 %contre 14.90 5.09 %. Ces rsultats confirment ceux observs Nsukka au Nigeria[Agunwamba, 2001].


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Fi gure 1.2 : Localisation des sites de marachage Ouagadougou en saison sche et saison pluvieuse


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personnes, l'utilisation de vgtaux aquatiques dans des bassins d'puration est lie audveloppement de moustiques et autres parasites nuisibles la sant humaine.

Il existe encore beaucoup de lacunes sur les possibilits puratoires de ces technologiesextensives d'puration (lagunage microphytes et macrophytes) en Afrique de l'Ouest et duCentre qui ncessitent d'tre combles par la formation (renforcement des capacits des

acteurs) mais surtout par l'identification des rgles de base ncessaires au bon fonctionnementdu procd. Les principes de fonctionnement des stations extensives sont bien matriss parles pays industrialiss o les rgles de dimensionnement et de gestion tiennent compte des processus biologiques, hydrauliques et chimiques complexes qui s'y droulent. Ces phnomnes n'ont pas encore t suffisamment tudis pour les conditions des pays del'Afrique de l'Ouest et du Centre. Est-ce que ces procds dj modliss dans les paystemprs peuvent rpondre aux proccupations des pays en dveloppement, sachant que leclimat, la morphologie et la physiologie des plantes aquatiques tropicales et la structure deszones humides naturelles ne sont pas identiques? Serait-il plus judicieux d'appliquer lessystmes existants ou d'tudier des systmes novateurs pour dfinir l'ossature des techniquesrellement adaptes au contexte africain ? Quels sont les objectifs assigner une stationd'puration dans un tel contexte ?

La contribution de cette tude se situe trois niveaux :

Le premier niveau concerne l'valuation technique du lagunage tel qu'il est pratiqu enAfrique de l'Ouest et du Centre. En effet, plusieurs coles s'affrontent depuis longtemps sur leterrain de l'exprimentation et du transfert de technologie d'puration, alors que trs peu dedonnes sont publies sur les rsultats acquis. Ce travail est le premier qui rassemble etcompare ces expriences entre elles pour donner une premire rfrence objective sur le sujet.

Le second niveau concerne l'exprimentation et l'tude comparative de deux des techniquesrustiques d'puration les plus rencontres : le lagunage microphytes et le lagunage macrophytes flottants avec la laitue d'eau. Les performances de chaque systme sontanalyses et leurs mcanismes puratoires sont tudis. Une grande importance a t accordeau rle jou par la laitue d'eau dans l'limination des paramtres de pollution physico-chimiques et microbiologiques. L'ensemble des donnes recueillies permet de proposer desrgles de dimensionnement et de conception d'une filire d'puration par lagunage, pour unerutilisation des eaux pures.

Le troisime niveau est d'ordre mthodologique. L'tude aborde dans une dmarcherigoureuse et cohrente les principales tapes, les paramtres ncessaires l'identification decritres de dimensionnement et les mcanismes puratoires ncessaires la comprhension dufonctionnement des systmes tudis. Cette dmarche est reproductible et peut tre appliquedans d'autres sites.


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1.2. OBJECTIFS

La problmatique de l'assainissement des eaux uses est un sujet qui demeure entier malgrles nombreuses initiatives entreprises jusqu' ce jour. La plupart des villes se sont construites

sans un plan rigoureux d'assainissement, ce qui rend dsormais complexe la recherche desolution. En effet, des pratiques, le plus souvent non salutaires, se sont installes aussi bien auniveau des autorits communautaires que des populations. Les systmes de collecte et detraitement d'eaux uses et d'excreta sont trs peu dvelopps ou inexistants. La complexit des problmes recommande dsormais de dvelopper une approche intgre. C'est dans ce cadreque se droulent les rflexions de cette tude.

Ce projet de recherche a t initi pour apporter des rponses objectives au fonctionnement etau dimensionnement du lagunage microphytes et du lagunage laitues deau en Afrique delOuest et du Centre. Il se droule dans le cadre de la collaboration scientifique entre l'EcoleInter-Etats d'Ingnieurs de l'Equipement Rural Ouagadougou (EIER) et l'EcolePolytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL), et est financ par la coopration Suisse (DDC)

et le Ministre de l'Enseignement suprieur et de la Recherche Scientifique de C'te d'Ivoire.La partie pratique du travail s'est effectue l'EIER, Ouagadougou.

La dmarche adopte se base sur une investigation de terrain pour faire ltat des lieux dulagunage dans cette rgion et sur une tude exprimentale des installations pilotes de lEIER Ouagadougou.

1.2.1. OBJECTIFS SPECIFIQUES

Les principaux objectifs de la thse dont l'intitul est "lagunage microphytes et

macrophytes : tat des lieux, performances puratoires et critres de dimensionnement" sontnoncs comme suit :

1.2.1.1. Etat des lieux du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre

L'analyse de l'tat des lieux du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre consiste dfinirl'tat de fonctionnement des bassins de lagunage microphytes et de lagunage laitues d'eauconstruits jusqu' ce jour et analyser les raisons de l'chec du lagunage dans cette rgion.

1.2.1.2. Etude exprimentale du lagunage microphytes et du lagunage laitues d'eau

Le but de l'exprimentation est de recueillir un ensemble de donnes utiles qui permettrait decomprendre le fonctionnement des bassins d'puration microphytes et macrophytes. Les performances des systmes sont analyses par rapport aux rendements d'limination de la pollution carbone, azote et bactrienne. Ces donnes devraient permettre de connatre leslimites de chacun des systmes et aussi de les comparer entre eux.


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1.2.1.3. Dimensionnement d'une filire d'puration pour la rutilisation des eaux uses

Il s'agit ici, partir des donnes exprimentales, d'baucher des rgles de dimensionnementdes bassins laitues d'eau et proposer une filire d'puration hybride, qui permettrait derutiliser les eaux pures en irrigation, conformment aux recommandations del'Organisation Mondiale de la Sant (OMS).

1.2.2. APPROCHE METHODOLOGIQUE

L'tat des lieux du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre a t tabli sur la base d'unetude bibliographique de travaux de recherche, de visites de terrain et d'entretiens personnelsavec des collgues chercheurs. L'analyse critique des donnes recueillies a t effectue partir de documents publis sous forme de thse de doctorat, d'articles publis dans des revuesscientifiques ou actes de confrences internationales et de travaux de diplme rigoureusementslectionns en fonction de la rigueur scientifique dans la dmarche mthodologique et de laqualit des rsultats.

L'tude exprimentale a t ralise grce des sries d'essais pilotes effectus dans des bassins aliments en mode batch et en continu. L'tude en alimentation batch a t effectue pour comprendre et quantifier l'influence des charges organiques sur les paramtresenvironnementaux dans les bassins d'puration laitues d'eau. Ensuite, l'tude en alimentationen continu a permis de tester l'influence de diffrentes charges hydrauliques et organiques surles performances puratoires des procds tudis, ainsi que de dterminer leurs limites.Plusieurs configurations de filires (agencement de procds diffrents) sont tudies pouroptimiser ces performances et rpondre des exigences de rutilisation en agriculture urbaine.


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1.3. RFRENCES

Adingra, A. A. and Arfi, R. (1998). "Organic and bacterial pollution in the Ebrie lagoon, Cted'Ivoire." Marine Pollution Bulletin 36(9): 689-695.

Ag, M. A. (1996). Etude de la dynamique de l'eau et des pertes de nitrates par lixiviation sousoignon irrigus : synthses des campagnes de 1995 et 1996 sur le site exprimental de

Kamboins . Rapport de recherche / EIER; Ouagadougou. 59 p.Agunwamba, J. C. (2001). "Analysis of socioeconomic and environmental impacts of waste

stabilization pond and unrestricted wastewater irrigation: Interface with maintenance." Environmental Management. [print] March, 2001 27(3): 463-476.

Baba-Moussa, A. (1994). Etude de la pollution bactriologique de la nappe phratique partir d'une latrine en Afrique subtropicale . Thse de doctorat n 1276 - EPFL / EcolePolytechnique Fdrale de Lausanne; Lausanne. XXX, 252 p.

Bagr, S. A. (2002). Processus de reconnaissance et de lgalisation de l' agriculture urbaine aOuagadougou : De la lgitimation a la lgalisation. In: Journes de consultationsnationales sur l'agriculture urbaine, Ouagadougou, du 04 au 05 dcembre 2001.

Rapport de synthse , Ouagadougou, BF. Kon, D. and Kientga M. (eds),IAGU/RFAU-AO, EIER, CRDI. pp.

Bosshart, S. (1998). Analyse de l'tat environnemental du marachage Ouagadougou. Rapport dfinitif du stage professionnel NADEL / Ecole Polytechnique Fdrale deZurich; Ouagadougou-Zurich.

Camara, A. (1997). Evaluation stratgique du marachage dans le futur paysage urbain deOuagadougou . Mmoire de recherche / cycle postgrade en Ingnierie et Managementde l'Environnement / EPFL; Lausanne. 52 p.

Charbonnel, Y. (1989). Manuel du lagunage macrophytes en rgions tropicales . Paris,A.C.C.T. 37p.Charbonnel, Y. and Simo, A. (1986). Procd et systmes de traitement biologiques d'eaux

rsiduaires . Universit de Yaound, Brevet OAPI n 8320. 11.CIEH (1993). Comit Inter-Africain d'Etudes Hydrauliques - "Etude comparative des

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CREPA (2002). Atelier de restitution du programme rgional de recherche applique de la phase IV du CREPA, Rapport Gnral . CREPA; Ouagadougou, BF. 17 p + annexes.

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CHAPITRE 2. ETAT DES LIEUX DU LAGUNAGE ENAFRIQUE DE L'OUEST ET DU CENTRE

Des extraits de ce chapitre ont t publis dans les revues et proceedings suivants :

K ONE D., SEIGNEZ C., HOLLIGER C. (2002)Etat des lieux du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre.

International Symposium and Workshop on Environmental Pollution Control and Waste Management (EPCOWM'2002) 7-10 January 2002, Tunis (Tunisia), pp 698-708

K ONE D. (2000)Le traitement des eaux uses par lagunage : une dcennie derecherche l'EIER. In : Assainissement urbain en Afrique,

Actes du sminaire international de Gore . Aquadev, Dakar, pp 53-56.

K ONE D. (1998)Problmatique de l'puration des eaux uses dans le contextede l'Afrique de l'Ouest, Info-CREPA , n20, avril-juin 1998

Les rsultats de cette tude ont galement contribu l'laboration du projet de rechercheintitul :

"Valorisation des eaux uses par lagunage dans les pays en voie de dveloppement : Bilan et enseignement pour une intgration socio-conomique viable

Lagunage macrophytes comme moyen d'autofinancement du traitement des eaux uses "

Ce projet financ par le Programme Solidarit Eau - PSEau a dmarr en septembre 2001 etest men conjointement avec l'Ecole Nationale du Gnie rural des Eaux et des Forts,ENGREF, (France), l'Universit Abdou Moumouni de Niamey (Niger) et l'Ecole Inter-Etatsd'ingnieurs de l'Equipement Rural - EIER, (Burkina Faso)


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dans les villes de San Pedro au sud, Gagnoa au centre et Odinn au nord du pays pourdgager des critres de dimensionnement dans des zones climatiques reprsentatives de laCte d'Ivoire [Drakides and Gervais, 1987; Kopieu, 1992]. Ces stations conues pour traiterun rejet d'eaux uses d'un internat de 800 lves taient composes de trois bassins, dont deuxen parallle placs en tte de station et recevant chacun une charge organique estime 300kg DBO5/ha/j. Elles ont toutefois t abandonnes cause de l'infiltration importante d'eau

constate dans les bassins. Seule la station de Dabou au sud du pays a fait l'objet d'un suiviscientifique o des essais de rutilisation des eaux pures en aquaculture ont t dvelopps.Cette station est constitue d'une fosse anarobie et d'un bassin facultatif superpos en tte defilire, et de deux autres bassins en sries [BCEOM, 1990; Guiral et al. , 1993].

L'tude du lagunage au Burkina Faso a commenc avec les expriences inities en 1988 l'EIER [Gune and Tour, 1991]. La station de l'EIER demeure la plus ancienne station derecherche dans la sous-rgion. Les ouvrages d'puration rencontrs sur le site exprimental del'EIER sont : un ensemble de bassins de lagunage naturels (lagunage microphytes ou bassinde stabilisation) et de lagunage macrophytes, une unit de filtration sur gravier, un lit bactrien, et une station d'infiltration percolation. Tous ces ouvrages ont fait l'objet denombreuses tudes, principalement sur la caractrisation des performances puratoires dusystme, la modlisation de l'puration, l'impact sanitaire des effluents traits sur le milieurcepteur et la valorisation des sous-produits de l'puration. Le Burkina Faso a dvelopp un plan stratgique dassainissement (PSAO) dans lequel il est prvu d'purer les eaux uses desdeux plus grandes villes que sont Ouagadougou, la capitale politique, et Bobo-Dioulasso, lacapitale conomique. Ce programme prvoit de co-traiter les eaux uses du centre-ville etcelles de la zone industrielle (tannerie, abattoir et brasserie Ouagadougou) dans une stationde lagunage. Les effluents industriels reprsentent 80 % des charges organiques et 75 % desvolumes d'eaux traiter. L'expansion du programme est prvu pour les autres villes aprs savalidation Ouagadougou et Bobo-Dioulasso [ONEA, 1993, 2000].

Le lagunage macrophytes flottants (avec la laitue d'eau) a t initi au Cameroun partir de1987 [Agendia, 1987; Iketuonye, 1987]. Ce procd qui a fait l'objet d'un brevet dposauprs de l'Organisation Africaine de la Proprit Intellectuelle [Charbonnel and Simo, 1988]a connu le plus d'applications au Sngal, dans la banlieue de Dakar (Castor, Rufisque), enCasamance avec la station de l'hotel Cap-Skiring, et This (station de l'abattoir de la ville).Au Burkina Faso, le lagunage macrophytes existe pour l'puration des effluents d'une petiteunit de fabrication de beurre de Karit (Association Song-Taaba Gouhngin au Nord de laville de Ouagadougou). Au Bnin, le procd a galement t test pour le traitementd'effluents domestiques avec l'ONG CTOM-EMMAS [Gnanih, 1994].

L'mergence du lagunage a aussi favoris la naissance de centres de recherche. On distingue, parmi ces centres, ceux qui sont organiss:

autour de stations pilotes traitant des rejets d'une communaut urbaine (30 150 m3/j).

Ces centres de recherche ont vu le jour vers 1987 l'EIER au Burkina Faso, Dabouen Cte d'Ivoire avec le Centre de Recherche Ocanologique (CRO) et l'Universitde Yaound au Cameroun.

autour de stations miniaturises, calques sur le modle de la Station Exprimentale deViville (Fondation Universitaire Luxembourgeoise Arlon FUL - Belgique) enBelgique [Radoux, 1989]. Ces stations sont constitues de 18 bassins miniaturesorganiss en plusieurs filires de traitement avec des volumes d'eaux uses traits parfilire infrieurs 1 m3/j. On rencontre ce modle de station Cambrne-Dakar, enfonctionnement depuis 1993 [Niang et al. , 1996], et l'Universit de Niamey o les


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recherches ont dbut depuis 1999 [Laouali and Idder, 2000]. Il faut signaler toutefoisque les premiers travaux de recherche Niamey se sont effectus avec un dispositif plus ancien [Laouali et al. , 1996b].

2.1.2. PLACE DU LAGUNAGE DANS L'ASSAINISSEMENT COLLECTIF

L'enqute ralise en 1992 par le CIEH sur les systmes d'assainissement dans les 14 paysfrancophones de l'Afrique de l'Ouest et du Centre montre que beaucoup d'investissements ontt consentis pour la construction de stations d'puration de type intensif (boues actives).Celles-ci reprsentent en nombre 75 % des 155 stations contre 10 % de stations de lagunage parmi lesquelles le lagunage macrophytes est trs faiblement reprsent. Sur cet effectif de155 ouvrages d'puration recenss dans l'ensemble des 14 pays, 70 % sont construits en Cted'Ivoire, 14 % au Cameroun et 6.5 % au Sngal. Cette tude montre que 36 % des Etats nedisposaient d'aucune station d'puration et que la plupart des autres pays ne possdaient que 2ou 3 ouvrages d'assainissement collectif. Parmi ces 155 stations recenses, seulement 10 %taient encore en tat de marche, rejetant des effluents de qualit mdiocre, le plus souventutiliss pour l'irrigation en marachage [CIEH, 1993; UADE and OIEAU, 1993].

L'arrt quasi total des stations mcanises dans ces pays n'est pas une surprise car les raisonsde cet chec programm sont souvent bien connues des promoteurs du projet. Ils n'ignorent pas en effet les exigences techniques et nergtiques de ce type de procd et leur extrmesensibilit aux variations de dbit et de charge qui ne sont pas adaptes aux situations de ces pays. En gnral, ces ouvrages sont acquis via des programmes de coopration Nord-Sud quin'ont jamais intgr de programme de suivi scientifique. En effet, aucune formation spcifiquerelative la gestion de ce type de station n'est enseigne dans les Universits et EcolesSuprieures des pays de l'Afrique de l'Ouest et du Centre, et la diversit des ouvrages proposs rend difficile la formation du personnel d'exploitation. Ces stations sont trs viteabandonnes quand les premires pannes surviennent.

Pour ces diffrentes raisons, le lagunage a suscit un engouement aussi bien chez lesresponsables de l'assainissement dans les pays africains que chez les partenaires de l'aide audveloppement. Cet engouement se justifie par les avantages lis cette technique, et qui peuvent se rsumer comme suit : faible cot d'investissement et d'entretien, adaptation auxfluctuations de charges et grande capacit d'limination de la pollution bactrienne par rapportaux boues actives.

L'implantation du lagunage s'est faite galement dans les mmes conditions que celles des boues actives, c'est--dire sans appui la formation et sans suivi scientifique. L'ide selonlaquelle la gestion des bassins de lagunage serait de type "agricole" et pouvant tre assure par des ouvriers non qualifis a aussi contribu l'abandon des stations construites. En dehorsdes sites d'exprimentation, aucune station de lagunage n'a encore donn de rsultats

comparables ceux obtenus dans d'autres contextes climatiques tropicaux en Amrique latineet en Asie, et encore moins sous climat tempr.

Le Tableau 2.1 prsente l'tat de fonctionnement des stations de lagunage selon l'enqute duCIEH effectue en 1993. La situation a trs peu volu car la monnaie locale a t dvalue,ce qui a frein les investissements dans le secteur de l'assainissement.

Les bassins de lagunage sont galement utiliss pour le traitement des boues de vidange delatrines et fosses septiques. Un essai d'application ralis au Bnin pour traiter des volumes de


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200-350 m3/j s'est sold par un chec car cette station a t sous-dimensionne [Hasler, 1995].En effet, il existe trs peu de rfrences qui fournissent des rgles de dimensionnementrigoureuses. Les premiers essais entams au Ghana avec l'Institut Fdrale Suisse desSciences et Technologies de l'Environnement (EAWAG) donnent cependant une bonneindication pour l'adaptation du lagunage au traitement des boues de vidange de fossesseptiques et de latrines [Strauss et al. , 1997; Strauss and Heinss, 1998].

Tableau 2.1 : Etat de fonctionnement du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre

Localisation Dispositif (annede construction)

Capaciten Equivalent-

habitantou m3/j)

Exutoire ouactivits derutilisation

Etat

Burkina Faso

EIER(Ouagadougou)

L* (1988) 35-40 m3/j MarachageArrosage de plantes paysagres

Bassins non tanches, pertes d'eau parinfiltration

Koudougou L (1990)

Cameroun Garoua LM** (1986) 1300 EH A l'arrtLM (1985) 45 m3/j Rejet dans un

ruisseauEn coursd'exprimentationYaound

LM (1986) 600 EH Inondation rgulireSaturation en bouesCte d'IvoireDabou L (1989) 150 m3/j Pisciculture A l'arrtSngalCap Skiring LM (1987) 400- 500 EH Rejet en mer Entretien insuffisant

Kaolak L + chloration(1980) 20 000 EH

LougaL + chloration(1980)

12 000 EHMarachage

Faible abattement bactrien

Pikine-Niayes L (1973) 3 800 EH Marachage Faible abattement bactrien

Saint-Louis L (1989) 30 000 EH MarachageBassins non tanches, pertes d'eau parinfiltration

This L + chloration(1985)20 000 EH

d'aprs [CIEH, 1993]

*L = lagunage naturel ( microphytes) - **LM = lagunage laitues d'eau (macrophytes)

Les eaux traites par lagunage proviennent de petites collectivits (coles-internat) ou

d'agglomrations de taille moyenne (stations du Sngal et du Cameroun), ce qui impliqueque la taille des installations varie de 200 30 000 Equivalent-habitant. Seulement une faible proportion d'eaux uses est traite car le rseau d'gouts est peu dvelopp, surtout en dehorsdes centres urbains. Les rseaux d'gouts classiques de gros diamtres sont souvent construits pour l'vacuation des rejets dans les centres-ville, mais la densit d'habitation de ces zones ne permet pas d'opter pour un traitement par lagunagein situ par manque d'espace. Dans lesquartiers priphriques, l'tat de l'urbanisation ne permet pas non plus de collecter les eauxuses par les rseaux d'gouts classiques. Pour ces zones, les rseaux d'gouts de faiblesdiamtres constituent une alternative. Nos rcentes investigations montrent toutefois que cesrseaux sont dans un mauvais tat de fonctionnement. Ils sont tributaires d'une bonne gestion


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2.2.2.1. Charges organiques admissibles

La charge organique admissible reprsente la limite au-dessus de laquelle les performancespuratoires d'un bassin de lagunage peuvent tre altres. Elle est gnralement dtermineexprimentalement et dpend de la temprature. C'est un des principaux paramtres dedimensionnement. Les charges organiques testes dans les expriences de l'EIER Ouagadougou et de l'Universit de Niamey sont trs variables (entre 44 et 1500 kgDBO5/ha/j). L'augmentation progressive des charges appliques sur les bassins de l'EIERentre 1989 et 1995 (Tableau 2.2) est due un dfaut de soutirage des boues du dcanteur primaire. Dans le cas de Niamey, la variation des charges a t obtenue par ajustement dudbit d'entre.


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Tableau 2.2 : Synthse de performances puratoires des bassins de stabilisation sous climat sahlie

Charge Temps Charge Charge Rendement mla

hydraulique s jour applique limine DBO 5 CF pisto

Auteurs STEP (m 3/j) (mm/j) ( jours) (kg DBO 5 /ha/j) (%) (U. Log) k

Guene, 1989 EIER-1 17 274 4 408 155 38 1.3

EIER-2 17 50 15 48 27 56 1.9

EIER-3 17 254 4 378 159 42 1.2

EIER-4 17 57 11 44 28 64 2.1

Menguele, 1990 EIER-1 20 300 3.8 742 232 31 1.3

EIER-2 20 59 13 113 60 53 2.0

Darriulat, 1991 EIER-1 35 565 2 946 435 46 -

EIER-2 35 103 10 119 77 65 -

Kluts, 1995 EIER-1 22 355 3 1500 615 41 0.6

EIER-2 22 65 16 200 96 48 1.4

Cette tude EIER-5 3 125 6 508 295 58

EIER-5 3 125 6 304 158 52

EIER-5 3 125 6 130 68 52 1.2

Laouali, 1996 Niamey-1 3.8 160 10 400 176 44 -

Niamey-1 2.6 107 15 288 127 44 -

Niamey-1 1.9 80 20 200 120 60 -

Niamey-1 1.5 64 25 200 90 45 -

Laouali, 2000 Niamey-2 1.5 83 5 400 228 57 -

k T = constante cintique; U. Log = units logarithmiques; CF = coliformes fcaux


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Plusieurs modles empiriques de dimensionnement des bassins de lagunage existent dans lalittrature. Le modle le plus utilis est celui de McGarry et Pescod [McGarry and Pescod,1970] qui a t propos initialement pour l'Asie et modifi ensuite pour une gnralisation[Mara, 1976] (Eq. 2.1). Ce modle permet de fixer la charge organique maximale admissiblesur un bassin en fonction de la temprature moyenne du mois le plus froid de l'anne.

12020T! appl = (Eq. 2.1) Puis, ce mme auteur a propos une quation plus approprie (Eq. 2.2) pour ledimensionnement des bassins facultatifs [Mara, 1987].

25T ppl 0.002T)350(1.107! =a (Eq. 2.2)

appl : Charge maximale applicable sur le bassin (kg DBO 5 /ha/j)T : temprature moyenne du mois le plus froid de l'anne (C)

Pour appliquer ce modle dans une rgion donne, il est donc ncessaire de connatre latemprature du mois le plus froid. Dans notre cas, cette donne permettra de dterminer lescharges organiques maximales admissibles dans les villes de Ouagadougou et Niamey et deslectionner les donnes reprsentatives pour l'analyse des performances puratoires. Les paramtres climatiques des deux villes sont prsents dans le Tableau 2.3 [FAO, 2000].

Tableau 2.3 : Donnes mtorologiques Ouagadougou et Niamey

MoisPa ra m tre s Ville s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tmax (C) Niamey 32.8 36.5 39.5 41.0 40.5 37.5 34.3 32.6 34.3 37.6 36.0 34.1

Ouaga 33.5 36.6 38.5 38.5 37.2 34.1 32.0 30.6 31.7 35.2 35.7 34.0Tmin (C) Niamey 15.6 19.1 23.0 27.0 28.0 25.7 24.0 23.0 23.5 24.0 19.5 17.2

Ouaga 15.8 19.2 23.5 26.0 25.5 23.6 22.3 21.7 21.7 22.5 19.8 17.1Ensoleillement Niamey 10.2 9.5 9.1 8.0 9.0 8.6 8.4 7.1 8.0 9.2 9.7 9.3(h/j) Ouaga 9.2 9.1 8.8 7.9 8.7 8.4 7.6 6.8 7.2 9.0 9.5 9.1Radiation Niamey 21.1 21.9 22.9 21.9 23.1 22.2 22.0 20.3 21.3 21.9 20.8 19.4( MJ/m2/j) Ouaga 20.1 21.5 22.7 21.7 22.6 21.8 20.7 19.8 20.3 21.8 20.8 19.5Humidit Niamey 26.0 19.0 20.0 28.0 43.0 56.0 68.0 76.0 72.0 56.0 38.0 28.0(%) Ouaga 28.0 25.0 26.0 38.0 54.0 67.0 76.0 82.0 80.0 63.0 42.0 33.0ETP (mm/j) Niamey 7.1 8.4 8.8 8.9 8.9 7.5 6.4 5.3 5.7 6.7 7.1 7.1

Ouaga 5.6 6.5 7.6 7.5 7.2 6.0 5.1 4.5 4.6 5.5 5.8 5.9 Pluie Niamey 0.0 0.0 2.0 4.0 33.0 75.0 155 195 95.0 14.0 0.0 0.0(mm/mois) Ouaga 0.0 2.0 4.0 21.0 80.0 118 188 255 154 39.0 1.0 0.0(d'aprs [FAO, 2000], )

Les tempratures annuelles minimales Niamey et Ouagadougou sont comprises entre 16 et17 C et correspondent aux mois de dcembre et janvier. Les tempratures minimalesmoyennes mensuelles pour chacune de ces villes sont respectivement de 23 4 et 22 3 C.En faisant abstraction des valeurs des mois de dcembre et janvier, la temprature minimalemoyenne sur les 10 autres mois de l'anne est respectivement de 24 3 et 23 2 C. Cesrsultats montrent que la temprature minimale mensuelle est stable dans l'anne. Sachant quela temprature des bassins est 2 4 C suprieure la temprature minimale de l'air pendantles mois les plus froids (donnes de cette tude), nous pensons qu'il serait judicieux de retenir


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une temprature comprise entre 23 et 25 C pour le dimensionnement des bassins de lagunagedans ces villes. Le Tableau 2.4 prsente les rsultats d'une simulation pour la dtermination dela charge organique maximale admissible dans un bassin de lagunage Ouagadougou ou Niamey l'aide des modles de Mara [Mara, 1976; Mara, 1987].

Tableau 2.4 : Charges maximales admissibles sur un bassin de lagunage Niamey etOuagadougou en fonction de la temprature moyenne minimale.

Charge maximale(kg DBO5/ha/j)

Temprature(C) (Eq. 2.1) (Eq. 2.2)

20 280 25321 300 27222 320 29123 340 31124 360 33125 380 35030 480 440

Les rsultats obtenus avec les deux modles sont presque similaires. L'cart entre les deuxmodles varie de 27 40 kg DBO5/ha/j (environ 10 % des charges calcules) dans la gammede temprature 20-30 C. Chacun des modles peut donc tre utilis pour la dtermination descharges organiques maximales. Les donnes prsentes dans le Tableau 2.2 montrent quedans 67 % des cas, les charges appliques sont comprises entre 130 et 400 kg DBO5/ha/j. Pourle calcul des performances puratoires, nous carterons les donnes pour lesquelles lescharges sont suprieures 700 kg DBO5/ha/j car elles correspondent beaucoup plus desconditions de lagunage anarobie.

2.2.2.2. Performances puratoires

L'analyse de nos chantillons (Tableau 2.2) montre que lorsque les charges sont infrieures 500 kg DBO5/ha/j, les rendements des bassins facultatifs sont compris entre 38 % et 65 %.Dans 72 % des cas, les rendements sont infrieurs 60 %. Les temps de sjour hydrauliquesont trs variables (4 25 jours). Dans les mmes conditions de charges organiques, lesdonnes rapportes dans la littrature prvoient des rendements compris entre 70 et 90 %[McGarry and Pescod, 1970; Arceivala, 1981]. Ces prvisions sont issues d'une analyse des performances puratoires de 143 bassins facultatifs oprant en rgions tropicales et tempres.Cette tude a dfini un modle empirique [McGarry and Pescod, 1970] dont l'expression

mathmatique de modle s'crit comme suit :elm = 0.725appl + 9.23,intervalle de confiance 95 % de 32.8 kg DBO5/ha/j

r 2 = 0.995 (Eq. 2.3)

app et elm reprsentent respectivement les charges surfaciques appliques et limines en kg DBO 5 /ha/j.


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23

Une relation similaire a t tablie dans le Nord-Est du Brsil (Eq. 2.4), confirmant ainsil'application du modle pour cette rgion [Mara and Silva, 1979].

elm = 0.79appl + 2 (Eq. 2.4) Les donnes issues des exprimentations de Ouagadougou et Niamey prsentent une trs

bonne corrlation entre les charges surfaciques appliques (appl) et les charges limines(elm). Les coefficients de corrlation obtenus sont de 0.95 pour des charges hydrauliquesinfrieures 160 mm/j et de 0.90 lorsque les charges hydrauliques varient entre 50 et 300mm/j (Figure 2.1). Les quations respectives obtenues s'crivent :

elm = 0.49appl (charges hydrauliques 50-300 mm/j), r 2 = 0.90 (Eq. 2.5)

elm = 0.53appl(charges hydrauliques 50-160 mm/j), r 2 = 0.95 (Eq. 2.6)

Charges hydrauliques [50 160 mm/j]

y = 0.53xR2 = 0.95

0

200

400

D B O 5 l i m i n e ( k g

/ h a /

j ) McGarry & Pescod

Charges hydrauliques [50 300 mm /j]

y = 0.49xR2 = 0.90

0

200

400

0 200 400 600

DBO 5 applique (kg/ha/j)

D B O 5 l i m i n e ( k g

/ h a /

j )McGarry & Pescod

F igur e 2.1 : Influence de la charge hydraulique sur les performances puratoires des bassins

de stabilisation en climat sahlien

A

B


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Pour des charges organiques surfaciques comprises entre 200 et 400 kg DBO5/ha/j, l'cartmoyen de rendement entre le modle de MacGarry et Pescod et celui tabli avec les bassinsde l'EIER et de Niamey est de 30 % si on considre des charges hydrauliques infrieures 160 mm/j et de 34 % pour l'ensemble des essais [50 300 mm/j]. Ces donnes montrent doncque le modle de MacGarry et Pescod (Eq. 2.3) surestime les performances puratoires des bassins facultatifs au Burkina Faso et au Niger. Les raisons de cette diffrence de

performances peuvent tre dues un dveloppement excessif d'algues dans les bassins [Guneand Tour, 1991], une mauvaise conception ou une influence ngative de la chargehydraulique comme le montre la Figure 2.2 A.

La prolifration des algues est un phnomne qui gne souvent l'abattement de la DBO5 dansles bassins de lagunage. Cette DBO5 de noformation peut donc contribuer ainsi crer unesurcharge organique qui peut limiter les vitesses de dgradation. La prolifration des alguesest lie aux conditions climatiques. Elle est aussi influence par la prsence de zooplanctonsfiltreurs tels que les rotifres ou les cladocres. Il n'existe pas encore suffisamment d'tudessur la structuration et la dynamique du phytoplancton et du zooplancton permettant dequantifier l'impact du dveloppement d'algues sur les performances puratoires.

0

50

0 200 400 600

Charges hydrauliques (mm)

R e n

d e m e n

t e n

D B O

5 ( % )

A

Charges hydraulique [60 - 600 mm/j]

y = 93.9Ln(x) - 394.2R2 = 0.9

0

100

200

50 250 450

DBO5-influent (mg/l)

D B O 5 - e f

f l u e n

t ( m g

/ l )

B

F igur e 2.2 : Influence de la charge hydraulique sur les rendements puratoires des bassins

facultatifs Niamey et Ouagadougou, et relation entre concentration influent-effluent pour des charges hydrauliques infrieures 160 mm/j.


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L'influence de la charge hydraulique sur les rendements puratoires se traduit sur la Figure 2.2(A) par deux nuages de points spars sur le graphique partir de 160 mm/j. Les rendementssuprieurs 50 % sont obtenus lorsque les charges hydrauliques sont infrieures 160 mm/j.Les coefficients de corrlation entre charge applique et charge limine de DBO5 augmentent de 0.90 0.97 respectivement pour les donnes dont les charges hydrauliquesmaximales sont de 300 et 125 mm/j.

Pour une charge organique proche de 400 kg DBO5/ha/j et le mme temps de sjour (4-5 jours), les meilleurs rendements sont obtenus avec les bassins de Niamey (57 %) par rapport ceux de l'EIER (38-42 %), les charges hydrauliques respectives tant infrieures 80 mm/j et254-274 mm/j (Tableau 2.2).

On peut donc retenir que mme si le modle de MacGarry et Pescod permet de dterminer lescharges organiques maximales pour le dimensionnement des bassins de lagunage, il surestimecependant les performances puratoires observes dans les exprimentations ralises Ouagadougou et Niamey. Les donnes disponibles ne permettent pas encore de dterminerles raisons effectives de cette diffrence de rendement. Cependant, une tude comparative dela production d'algues dans les bassins et de l'influence de la charge hydraulique sur les performances puratoires pourrait contribuer une meilleure comprhension des rsultats. En plus des relations empiriques, la cintique ractionnelle permet galement de prvoir les performances des bassins d'puration. Les paragraphes suivants discutent de la dterminationde la constante cintique de dgradation de la DBO5 et du temps de sjour hydrauliqueoptimal dans les bassins facultatifs.

2.2.3. MODELES CINETIQUES DE DIMENSIONNEMENT

2.2.3.1. Premiers essais de modlisation

La modlisation des processus puratoires dans les bassins de lagunage reste un sujet toujoursd'actualit. En effet, la plupart des modles identifis dans un contexte donn ne peuvent pas prendre en compte de faon exhaustive l'ensemble des paramtres physico-chimiques,cologiques, biologiques et microbiologiques qui influencent les ractions mises en jeu. C'est pourquoi l'tude exprimentale du lagunage s'impose comme la meilleure approche pourcomprendre le fonctionnement du procd dans le contexte climatique et socio-technique du projet. Plusieurs modles de dimensionnement de bassins de lagunage sont proposs dans lalittrature pour diffrentes rgions du monde [Marais, 1966; McGarry and Pescod, 1970;Mara, 1976; Arceivala, 1981; Polprasert et al. , 1983; Mara, 1987, 1997; Mara and Pearson,1998].

Le modle de Vincent (Eq. 2.7), test sur les bassins de l'EIER, semblait satisfaisant pour la prdiction du rendement des bassins [Gune and Tour, 1991]. Cependant, une autre tude(ralise sur les mmes bassins) a montr qu'il sous-estime les rendements puratoires lorsquela charge organique augmente [Roduit, 1993]. Le modle de Eckenfelder (Eq. 2.8) a t testavec succs Niamey [Laouali et al. , 1996b] alors qu'il n'a pas pu tre appliqu aux donnesde l'EIER [Gune, 1989].


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t]CC[k 11

CC

nieTi

e

+= [Vincent et al. , 1963] (Eq. 2.7)

]tCk [1

1

C

C

iTi

e

+

= [Eckenfelder, 1982] (Eq. 2.8)

AvecC i et C e : concentrations de l'influent et de l'effluent (mg/l),k T : constante cintique de premier ordre (j

-1 )T : temprature (C)t : temps de sjour

Des tudes similaires entreprises sur la station pilote de Dabou, o le traage au lithium arvl un coulement de type piston, ont permis aux auteurs d'identifier un modle dedimensionnement pour les bassins de lagunage en Cte d'Ivoire [BCEOM, 1990]. Cependant,les rsultats obtenus restent controverss par un bilan hydrique dsquilibr et unsurdimensionnement des bassins. Conue pour recevoir 70 kg de DBO5/j, cette station n'afonctionn qu'avec une moyenne de 20 et un maxima de 40 kg DBO5/j [UADE and OIEAU,1993]. En plus, une importante perte d'eau par infiltration a t estime 40-70 % du dbitd'alimentation pendant la priode d'exprimentation [BCEOM, 1990; UADE and OIEAU,1993].

2.2.3.2. Constante cintique

On estime que la dgradation de la matire organique dans les bassins facultatifs suit unecintique de premier ordre. Les modles cintiques traduisant les performances puratoires se basent en principe sur le type d'coulement dans le bassin avant d'identifier l'quationadquate appliquer. Pour un bassin donn, les valeurs des constantes cintiques sontcomprises entre celles calcules pour un modle d'coulement piston et celles du modle de lacuve parfaitement mlange (ou mlange hom

Documents

EPURATION DES EAUX USÉES PAR LAGUNAGE_EPFL_TH2653.pdf