Définition

Les filtres plantés de macrophytes (plante aquatique de grande taille) est un procédé de traitement des eaux usées utilisant des macrophytes. Le même processus naturel qui se déroule dans les milieux humides entre les végétaux, le sol, les micro-organismes (bactéries principalement) et certains invertébrés (insectes, vers, larves,…). Ce procédé dont l’utilisation devient de plus en plus répandue dans le monde, permet de traiter aussi bien des eaux résiduaires urbaines (eaux usées domestiques et eaux usées industrielles) que des eaux pluviales (L.Bensmina-Mimeché, 2013). Il existe deux types de filtres à savoir : le filtre à écoulement verticale dénommé filtre planté de roseaux à écoulement vertical (FPRV) et celui à écoulement horizontale de son appellation filtre planté de roseaux à écoulement horizontal (FPRH)

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 11 I.2.4.3. Présentation du typha domingensis :

Photo 1 : Vu à l’état naturel typha domingensis (Auteur)

Le typha domingensis appelé également Massette, quenouille ou typha est une grande plante herbacée qui pousse en peuplement dense dans les zones marécageuses peu profondes. La tige atteint 4 m de hauteur. Les feuilles persistantes, longues, de couleur vert pâle sont plates ou légèrement triangulaires et croissent à la base de la plante. Les fleurs sont regroupées en épis cylindriques denses à sexes séparés mais situés sur une même plante. L'épi mâle est situé à l'extrémité de la tige. L'épi femelle situé juste au-dessous de l'épi mâle en est séparé par un espace de tige nue de 1 à 3 cm. Ces épis sont de couleur brune à maturité.

Les massettes sont des plantes rustiques de milieux humides qui possèdent un rhizome souterrain rampant. Elles forment de grandes touffes qui peuvent atteindre 2 mètres de hauteur environ. Les feuilles sont parfois utilisées pour la fabrication de nattes, de sacs, ou pour couvrir les toits.

I.2.4.3. Dimensionnement des filtres plantés de roseaux

 Filtre vertical

Le dimensionnement de ces dispositifs, en termes de charge traitée par unité de surface, est encore empirique et se traduit généralement en m² par équivalent-habitant (EH : unité de mesure permettant d’évaluer la capacité d’une station d’épuration qui se base sur la quantité de pollution).Il n’existe donc pas d’équations de dimensionnement dans la littérature. La surface totale des lits est déterminée en fonction du nombre d’habitants raccordés plutôt qu’en fonction du flux de DCO et de DBO5. Le volume journalier à traiter ne rentre pas en ligne de compte. D’après le CEMAGREF, ce procédé peut être implanté pour 50 à 1 000 EH, voire

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 12 2000 EH. Il est particulièrement bien adapté aux petites communes rurales, campings, gîtes….

Par contre, au-delà de 2000 EH, l’installation de filtres plantés de roseaux n’est plus rentable.

Pour obtenir une bonne répartition, la vitesse d'alimentation doit être supérieure à la vitesse d'infiltration. Les arrivées d'eau se font en plusieurs points. Le volume d'une bâchée est un compromis entre, d'une part, le temps de stockage limité pour éviter une fermentation anaérobie des eaux. D'autre part, la possibilité de répartition convenablement du volume aussi faible que possible au regard de la célérité avec lequel le volume est apporté. Le système de distribution doit permettre une immersion complète de la surface du filtre suite à une phase entrée de la DBO5 .Si la concentration en entrée en DBO5 est comprise entre 150 et 300 mg/l, la base de dimensionnement est de 5 m²/EH₆₀. Si la concentration en entrée en DBO₅ est supérieure à 300 mg/l, la base de dimensionnement est de 10m²/EH60

La surface utile de filtration (Sf) est calculée de la manière suivante :

   

L'aire A_f de la section transversale du filtre (hauteur x largeur) est déterminée par la loi de Darcy comme suit :

- Ks = conductivité hydraulique du matériau saturé - dH/dL = gradient hydraulique.

L'alimentation est normalement continue. On peut envisager d'utiliser des moyens

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 13 d'alimentation discontinue (bâchée) gravitaire ou par poste de pompage, dans le cas, par exemple, de lits à grande largeur avec une alimentation en plusieurs points, la collecte des eaux traitées en fond de filtre est obtenue grâce à des drains. Ces derniers sont raccordés à un drain principal à l'extrémité du filtre lequel collecte la totalité des eaux traitées.

Il assure l'évacuation des effluents vers le regard d'alimentation des filtres du second étage ou le regard de sortie. Chaque drain est relié à une cheminée d'aération. Des drains en tube synthétique entaillés de fente seront utilisés pour collecter l'effluent traité sur le fond du filtre.

L'utilisation de tubes de classe de résistance élevée limitera les risques de détérioration du système de drainage. On évitera l'utilisation de coudes à angle droit. Les orifices (fentes de 5mm de large sur un tiers de la circonférence et espacées de 15 cm) seront tournés vers le bas.

L'utilisation de drains agricoles est à proscrire à cause des orifices trop petits.

L'évacuation des boues du premier étage est réalisée tous les 10 à 15 ans. Ces boues sont fortement minéralisées et ne sont donc pas fermentescibles comme celles d'autres procédés (décanteur). Leur évacuation peut être réalisée à l'aide d'une mini pelle équipée d'un godet de curage de fossé avec une lame relativement tranchante. Les engins utilisés doivent pouvoir accéder à la périphérie des lits. Les rampes d'alimentation doivent pouvoir être démontées lors de cette opération.

I.2.4.4. Principe de fonctionnement des filtres plantés de roseaux

Selon le sens d’écoulement de l’effluent, on distingue deux types de configuration de filtre plantés de roseaux. Il y a les filtres horizontaux et les filtres verticaux

 Filtre vertical

La filière d'épuration à culture fixée sur support fin à gravier repose sur deux mécanismes principaux à savoir : la filtration superficielle et l'oxydation. En effet, l’étage reçoit les eaux usées et celles-ci percolent verticalement à travers les filtres. L’effluent subit alors une première étape de filtration permettant une rétention physique des matières en suspension (MES) à la surface.

Quant à la phase d’oxydation, la pollution organique est dégradée à l’intérieur du filtre par les bactéries présentes en surface des graviers et des racines des roseaux. Leur fonctionnement alterne des phases d'alimentation et de repos. Il existe deux types de configuration de filtres plantés de roseaux : les filtres horizontaux et les filtres verticaux. La majorité des filtres plantés de roseaux construits sont de type à écoulement vertical. Ils sont plus efficaces pour la

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 14 minéralisation de la matière organique biodégradable et de la nitrification par l’activité de bactéries oxydant l’ammoniac (Aina et al., 2012)

Figure 3. Coupe transversale d’un filtre à écoulement vertical (Prigent, 2012)

 Filtre horizontal

Les filtres horizontaux sont des bassins remplis de manière homogène de sable, de gravier ou de sol en place, et dans lesquels ont été plantés des macrophytes.

L’effluent est réparti sur toute la largeur et la hauteur du filtre par un système répartiteur situé à une extrémité du bassin ; il s’écoule ensuite dans un sens principalement horizontal au travers du substrat. La plupart du temps, l’alimentation a lieu en continu et les matériaux sont pratiquement saturés en permanence.

Figure 4. Coupe transversale d’un filtre planté à écoulement horizontal (CEMAGREF, 2005) I.2.4.4.1. Le rôle des macrophytes

Au-delà de l’aspect esthétique et de leur rôle mécanique primordial sur le premier étage des filtres verticaux, les macrophytes absorbent une partie de la pollution dégradée. Ces plantes disposent d’un système racinaire très dense qui améliore l’oxygénation des filtres, une condition sine qua non au développement des microorganismes adéquats. Poursuivant leur

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 15 croissance, les macrophytes assurent enfin le fonctionnement permanent de la station d’épuration en limitant le colmatage des surfaces filtrantes.

I.2.4.4.2. Rôle du support

De par sa granulométrie, le matériau de remplissage a un rôle évident de filtration des matières en suspension présentes dans les eaux usées, d’où le nom de filtres. Son efficacité dans ce rôle dépend en grande partie de la texture du matériau que l'on approche par sa granulométrie. Le filtre est composé de trois couches à savoir : la couche filtrante, la couche de transition et la couche drainante. La couche filtrante est la couche la plus active qui assure la rétention des matières en suspension.La couche de transition permet de retenir les

Ils ont besoin d’un support de fixation pour se développer et ne pas être entraînés par les eaux usées ; celui-ci est assuré par les plantes (surtout leurs organes souterrains) et le matériau. La dégradation de la matière organique par les micro-organismes est productrice de biomasse bactérienne qui doit être à son tour dégradée pour éviter le colmatage. (Grison,1999)

I.2.4.7. Performances épuratoires des filtres plantés de roseaux

Si ces systèmes d’assainissement sont correctement conçus et bien dimensionnés et que l’influent peut traverser les massifs filtrants, la qualité de l’effluent est bonne. Cela s’explique par une intense activité stimulée par une symbiose entre les microorganismes et le système racinaire développé par des roseaux (Liénard et al., 2004). Un très bon rendement est obtenu sur les MES, en fonction de la granulométrie du milieu (plus la granulométrie est fine, meilleur est l’abattement de MES, mais le risque de colmatage augmente). La flore bactérienne développée au niveau du système racinaire permet la dégradation de la matière

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 16 organique(rendement de 90% sur la DCO, la DBO5 et les MES). La diminution des populations de bactéries fécales se fait grâce au temps de séjour dans le filtre : le temps de séjour de trois jours permet un bon abattement de ces populations bactériennes qui ne trouvent pas dans le filtre les éléments nutritifs pour leur développement.

Pour les combinaisons de FPRV, la dénitrification n’est pas suffisante au regard du risque d’eutrophisation des milieux (le rendement en NTK avoisine 60%). Par contre la combinaison FPRV puis FPRH permet une bonne dénitrification, car l’épuration se poursuit dans un milieu pauvre en oxygène. Mais dans tous les cas, les rendements sur le phosphore atteignent difficilement 60% ce qui n’est pas suffisant pour des zones sensibles à l’eutrophisation.

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Partie II: DEROULEMENT DU STAGE

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 18 Cette partie de notre étude est scindée en deux grandes étapes à savoir :

 Mise en place et suivi des expérimentations

 Analyse et méthode d’analyse

II.1. Mise en place et suivi des expérimentations II.1.1.Recherche documentaire

Une recherche documentaire qui est consacrée à une revue bibliographique sur l’état des études antérieures ayant portées sur la caractérisation des eaux usées domestiques, des documents traitant des caractéristiques physico-chimiques des eaux usées domestiques par les filtres plantés de roseaux. Cette recherche sera effectuée dans les différents centres de documentations de l’EPAC (bibliothèque EPAC), du LSTE, de l’UAC et sur internet.

II.1.2. Description de station pilote graviers lavés de dimensions variées. Les graviers utilisés sont répartis en trois couches. Du haut vers le bas, la première couche de gravier est constituée de graviers fins sur 30cm est la couche filtrante, la deuxième couche constituée de graviers de taille moyenne sur 15cm qualifiée de couche intermédiaire ou de transition et la troisième couche de grossière taille sur 15cm.La hauteur de revanche de 15 cm de hauteur est prévue pour permettre l’accumulation de la matière particulaire en surface du massif filtrant. Il faut aussi noter qu’une lame d’eau de 3 cm a été prise pour assurer non seulement la submersion du massif filtrant mais aussi le temps de contact de l’effluent avec le matériau. Les deux bacs utiliseront typha domingensis comme filtre. Après prélèvement des jeunes macrophytes, elles sont immédiatement introduites dans le bassin d’expérimentation avec un total de 12 pieds(plantation de roseaux).

Les plants ainsi repiqués ont été alimentés à l’eau usée domestique (un volume de 300L d’eau usée domestique) chaque semaine pendant deux mois. Le choix du nombre de pieds et le temps d’adaptation ont été choisis d’après les travaux de certains auteurs (Déguénon et al.

2012 ; E.S. Kengne et al.,2014). Chacun des bacs a une dimension de 110cm de longueur, 90cm de largeur et une hauteur de 100cm.

Le dispositif expérimental est installé à côté du site de lagunage sur CTEPA au CUAC. En

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 19 effet, le premier bac est placé à la sortie du bassin anaérobie et le deuxième bac est placé à la sortie du bassin facultatif. Ces deux pilotes sont alimentés des eaux issues respectivement des bassins anaérobie et facultatif à l’aide de pompes dans un système continu (remplissage progressif des deux pilotes durant le temps de séjour) après le prétraitement effectué au niveau du regard lors de l’expérience.

Méthode utilisée pour déterminer le volume d’eau usée à mettre dans les tanks :

 Dimensions des tanks : L= 110cm, l= 90cm et H= 100cm Le volume d’eau usée dans les tanks est déterminé par la formule suivante Veu = Vv + Ves

Avec

Veu : Volume d’eau usée

Vv : Volume de vide du massif occupé l’eau usée Ves : Volume d’eau submersible

Ne sachant pas la porosité efficace de chaque couche du massif filtrant, le volume VV a été déterminé en se servant d’un bidon de 25L. Le massif filtrant d’eau usée jusqu’à sa hauteur. Un Vv= 245L a été obtenu soit 10 bidons de 25L.

Photo 2: Remplissage du bac Photo 3: Aspect du filtre non planté

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 20 II.1.2.2. Choix et prélèvement de l’espèce étudiée

Le typha domingensis fait partie des espèces les plus utilisées dans le traitement des EUD car il a un taux de croissance rapide (Wetlands international, 2003). C’est aussi une espèce fixée que l’on retrouve facilement dans nos écosystèmes naturels au Bénin. Le choix de cette espèce et de son introduction dans les bassins, a été fait pour assurer une continuité aux différentes études effectuées sur le site de CTPEA.

Les macrophytes utilisés ont été prélevé à Togoudo dans la zone marécageuse en face de l’Ecobank où il évolue depuis plusieurs années ; dans les conditions naturelles. En effet, nous avons extrait les plants avec les racines au bord de la zone marécageuse. Les macrophytes après leur prélèvement, ont été immédiatement à notre arrivée sur le site d’expérimentation, introduits dans les bassins. Pour pouvoir permettre aux plantes de s’adapter à ce nouveau milieu, les EUD leur ont été apportées et renouvelées chaque semaine durant un temps de deux mois. La photo ci-dessous montre les macrophytes prélevés.

Photo 4: Pieds de Typha D. lavés Photo 5:Pieds de typha prélevés

Ves= Avec

L : Longueur des tanks l : largeur des tanks

h : Lame d’eau sur le massif filtrant

Ves= cm³ soit 2 bidons de 25L

Veu= 245 + 30 = 275L soit 11 bidons de 25L, en tenant compte de l’évapotranspiration, Veu=300L soit 12 bidons de 25L

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II.1.2.3. Choix de bassins anaérobie et facultatif

Nous avons choisi d’alimenter les pilotes avec les eaux issues de bassins anaérobie et facultatif pour des raisons suivantes :

 La disponibilité des eaux usées en permanence dans les bassins

 La proximité des bassins des pilotes d’expérimentation

 Les bassins anaérobie et facultatif permettent la variation de la charge polluante des eaux usées dans le cadre de notre étude

II.1.2.4.Choix du matériau utilisé

Les matériaux utilisés dans le cadre de notre étude sont des graviers. Ces graviers proviennent de Togoudo à Abomey-Calavi. Ils sont ensuite tamisés par des tamis afin d’avoir un matériau qui répond aux caractéristiques granulométriques correspondant à l’usage auquel il est destiné. Le pilote expérimental est constitué de plusieurs couches : La couche filtrante est du gravier de 2 à 8 mm de diamètre, La couche de transition est du gravier de 10 à 30mm de diamètre et la couche drainante du gravier de 30 à 50mm pour assurer le drainage. Ce matériau a été choisi afin de permettre à l’eau de s’écouler plus facilement des pores et d’éviter un colmatage précoce des filtres plantés.

II.1.3. Echantillonnage

Pour la caractérisation des effluents bruts, un prélèvement d’environ un litre et demi (1,5) s’est fait dans les bassins anaérobie et facultatif grâce à un préleveur automatique portable Sigma SD900 de la gamme HACH afin d’obtenir un échantillon représentatif à l’entrée des bacs. Et trois prélèvements par jour à la sortie des bacs sont faits pendant le temps de séjour.

Les échantillons destinés aux analyses des paramètres globaux sont conservés dans des

Photo 6:Pieds de Typha Domengensis. 1mois après

Photo 7:Photo des pieds de Typha Domengensis. après 1mois demi

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 22 flacons en plastique qui sont remplis à ras bord pour éviter de piéger l’air afin de ne pas altérer l’équilibre chimique. Les analyses sont faites de façon journalière et portent sur les paramètres de suivi de performance.

II.1.4. Suivi des paramètres

Les paramètres de suivi de performance que sont : l’oxygène dissous, la température, le pH, le potentiel redox, et la conductivité sont mesurés trois fois dans une journée (matin à 8h, à 12h et soir à 18h). Quant aux paramètres MES, DCO, NTK et Pt sont mesurés sur l’effluent brut, puis trois fois dans une journée sur l’effluent traité durant les quatre jours de temps de séjour et ceci dans les mêmes conditions que précédemment. Ces paramètres sont déterminés au Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau.

II.2. Analyse et méthode d’analyse

Les paramètres physico-chimiques utilisés pour l’évaluation de la performance des filtres plantés de roseaux sont : la température, le potentiel d’hydrogène, le potentiel redox, la conductivité, la turbidité, l’oxygène dissous, MES, DCO, NTK, NO2

-, NO3

-, Pt. Leur rôle dans l’évaluation des performances du traitement des filtres plantés des roseaux, ainsi que les méthodes d’analyses utilisées sont présentés ci-dessous.

II.2.1. Techniques analytiques utilisées II.2.1.1. La température

La température de l’eau, est un facteur écologique qui entraîne d’importantes répercutions écologiques. Elle agit sur la solubilité des gaz dans l’eau, la dissociation des sels dissous, de même que sur les réactions chimiques et biochimiques, le développement et la croissance des organismes vivant dans l’eau et particulièrement les microorganismes responsables de la réduction de la pollution.

Elle s’exprime en °C et a été mesurée en même temps que l’oxygène dissous.

II.2.1.2. L’oxygène dissous

L’oxygène dissous représente la fraction dissoute de l’oxygène se retrouvant dans l’eau. Il est caractéristique du type de milieu. Sa concentration est très faible et le plus souvent proche de zéro dans les eaux résiduaires brutes, compte tenu des concentrations élevées en composés réducteurs (oxydables) et de l’activité des microorganismes présents. La présence d’oxygène dissous conditionne les réactions de dégradation aérobie de la matière organique et favorise l’élimination de la pollution azotée par un procédé de nitrification-dénitrification (Rejsek, 2002). L’oxygène dissous a été mesuré selon la méthode électrochimique normalisée (NF T

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 23 90-106) avec l’oxymètre Oxi 730 WTW qui est muni d’une sonde à oxygène CellOx 325.L’étalonnage de la sonde est fait à l’aide d’un bécher de calibration dans l’air

.

L’oxygène dissous s’exprime en mg O₂/L.

II.2.1.3. Le potentiel d’hydrogène (pH)

Le pH de l’eau mesure la concentration des protons H⁺ contenus dans l’eau. Il résume la stabilité de l’équilibre établi entre les différentes formes de l’acide carbonique et il est lié au système tampon développé par les carbonates et les bicarbonates. Le pH a été mesuré par la méthode potentiométrique selon la norme NFT 90-008 avec le pH-mètre pH 3110 SET 3 WTW qui est étalonné avec des solutions de pH 4,01 et 7,00. La précision des valeurs données par l’appareil est de 10^-2 près.

II.2.1.4. Le potentiel redox (eH)

Le potentiel redox (eH) qui définit le pouvoir oxydant ou réducteur du système. Il quantifie les réactions d’oxydation et de réduction qui correspondent au transfert d’électrons entre les

Le potentiel redox (eH) qui définit le pouvoir oxydant ou réducteur du système. Il quantifie les réactions d’oxydation et de réduction qui correspondent au transfert d’électrons entre les

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