Mécanismes épuratoires dans le lagunage à macrophytes flottants

à macrophytes flottants est basé sur la relation symbiotique entre les plantes et les bactéries du milieu. Cette association crée un effet synergique qui se manifeste par l’augmentation de la vitesse de décomposition et d’absorption des polluants présents autour du système racinaire des plantes. Ces processus biogéochimiques aérobies et anaérobies concourent à l’élimination des polluants présents dans l’eau. Ils modifient le cycle des principaux éléments que sont le carbone, l’azote et le phosphore, et contribuent à l’élimination des germes pathogènes.

Les différentes contributions des macrophytes flottants à l’élimination des charges polluantes sont les suivantes :

 Le système racinaire des macrophytes flottants constitue un habitat propice aux micro-organismes aérobies et/ou facultatifs responsables de la dégradation des charges polluantes. Cette flore bactérienne importante bénéficie du transport de l’oxygène photosynthétique des parties aériennes des plantes vers les racines. De plus, ces plantes libèrent des métabolites qui sont utilisés comme sources de nutriments par ces micro-organismes (Kengne, 2000).

 La grande vitesse de reproduction des macrophytes assure une biomasse assez importante et la pérennité du processus de dégradation de la matière organique. Dans les stations de traitement à macrophytes flottants, la récolte régulière des plantes aquatiques permet d’éliminer les matières en suspension piégées dans les racines, les sels minéraux assimilés et les excédents d’organismes décomposeurs. Cette récolte favorise un rendement épuratoire élevé (Diarra et al., 2006).

 Le volume occupé par ces macrophytes aquatiques engendre une diminution de la vitesse d’écoulement des eaux et une augmentation des hauteurs d’eau. Par ailleurs, ils jouent le rôle de stabilisateur des berges et celui de consolidation des éléments meubles.

 L’écran constitué par la nappe foliaire des plantes aquatiques limite la pénétration du rayonnement solaire dans l’eau et atténue les écarts

thermiques entre le jour et la nuit ; de plus, le développement du phytoplancton est limité (Kim, 2000).

4.1. Processus d’élimination du carbone

Le carbone est un des éléments biogènes majeurs. Il se retrouve dans l’eau sous la forme de carbone organique (matière morte, humus, sédiments organiques) et sous forme minérale (carbonate, bicarbonate, le dioxyde de carbone libre) (Rodier J., 2009).

Le carbone organique, principal constituant de la biomasse (formule très simplifiée

5 7 2

C H O N soit 53% de C) est généralement la pollution principale à éliminer (Degrémont, 2005). La dégradation et le recyclage de la matière organique dans la plupart des habitats sont effectués par les bactéries à la fois dans des conditions aérobies et anaérobies. La gamme la plus grande de transformations du carbone se passe en conditions aérobies (biodégradation de polymères végétaux cellulose, chitine, lignine en composés organiques simples et humiques, méthylotrophie ou utilisation de composés monocarbonés comme le méthane ou le méthanol) (Cébron, 2004).

L’élimination de la matière organique dans les bassins à macrophytes flottants est basée sur une relation symbiotique plantes-bactéries, dans laquelle les bactéries utilisent l'oxygène fourni au milieu par les plantes pendant la photosynthèse pour dégrader le carbone organique (Koné, 2002). L’effet sur la dégradation de la matière organique passe principalement par la création d’une zone de rhizome servant comme support pour le biofilm pouvant dégrader (UNESCO, 2008). Cette zone appelée rhizosphère, est le siège de la dégradation aérobie. Elle est la première couche rencontrée dans les bassins à macrophytes flottants. Les microorganismes y vivant consomment l’oxygène fournit par les macrophytes pour leur croissance. Une deuxième zone facultative, comprise entre les rhizomes et les sédiments est le siège des bactéries anaérobies facultatives qui utilisent, dans l'ordre de préférence, les nitrates, les oxydes de manganèse et l'ion ferrique comme accepteur final d'électrons pour la dégradation du carbone organique (Reddy, 1984, Delgado et al., 1994 cités par Koné 2002). Une dernière zone se situe dans les sédiments où ont lieux les réactions strictement anaérobies. En l'absence de nitrates, les sulfates et le dioxyde de carbone sont utilisés comme accepteur d'électron.

Les MES, constituent d’autre part une grande partie de la pollution carbonée.

Leur élimination contribue donc à la réduction de la charge. Dans les bassins à macrophytes flottants, cette élimination est effectuée de deux façons :

 la décantation de la matière organique, et leur fixation par le système racinaire des macrophytes flottants,

 le retrait périodique des macrophytes des bassins assurant l’élimination définitive de ces MES.

La DCO et la DBO₅sont les principaux paramètres permettant d’apprécier la pollution organique. D’autres paramètres tels que le carbone Organique Dissous (COD), le Carbone Organique Total (COT), le Carbone Organique Particulaire (COP), le Carbone Inorganique Total (CIT) permettent aussi d’apprécier la pollution organique.

La figure 3 présente les différents processus de transformation et d’élimination du carbone.

Figure 3: Principaux processus de transformation et d'élimination du carbone dans les systèmes d'épuration des eaux.

Source : (Reddy et d'Angelo, 1996 citées par Kengne, 2000).

4.2. Processus d’élimination de l’azote

L’azote est présent dans les systèmes naturels d’épuration des eaux usées sous les formes organique et inorganique. L’azote organique est présente sous forme dissoute et particulaire, tandis que la forme inorganique est présente sous forme dissoute (Kengne, 2000). Les différentes réactions qui conduisent à l'élimination de l'azote dans un milieu aquatique sont la sédimentation, l'ammonification (transformation de l'azote organique en ammonium), la nitrification (oxydation de l'ammonium en nitrate), la volatilisation (transformation de l'ammonium en ammoniac) et la dénitrification (réduction des nitrates en azote gazeux, N2) (Koné, 2002).

La présence des macrophytes dans les bassins favorise l’élimination de l’azote, soit de façon directe par assimilation par les macrophytes ou de façon indirecte par les microorganismes dont le développement est accru par la présence de ces macrophytes (Chazarenc & Brisso, 2009) En effet, la forme particulaire est éliminée par sédimentation et enfouissement, tandis que l’élimination de la forme inorganique est régulée par diverses réactions biogéochimiques ayant lieu dans le substrat et dans la colonne d’eau (figure 4). Cette forme inorganique est éliminée soit par nitrification (oxydation d’ammonium) et dénitrification (transformation de NO₃^ en N O₂ ^ etN₂) soit par volatilisation de l’ammoniaque ou alors par absorption microbienne (Reddy &

d'Angelo, 1996). Quant à la volatilisation de l’ammoniac, elle est régulée par la température, la densité et le type de plantes, les radiations solaires, les mouvements de l’air à la surface de l’eau, le mixage de l’eau, l’activité algale et les fluctuations de pH qui en résultent (Vyzamal, et al., 1998).

Figure 4: Principaux processus de transformation et d'élimination de l'azote dans les systèmes naturels d'élimination des eaux.

Source : (Reddyet d'Angelo, 1996 citées par Kengne, 2000).

4.3. Processus d’élimination du phosphore

Composant essentiel du vivant (nucléotides, ADN, phospholipides des membranes cellulaires, enzymes), le phosphore joue un rôle clé dans le transfert d’énergie (ATP) (Cébron, 2004). La croissance des macrophytes dépend donc de sa disponibilité. Dans l’eau le phosphore est sous forme d’ion phosphate correspondant à l’équilibre de dissociation de l’acide orthophosphorique.

De nombreux processus tels que l’absorption du phosphore par les plantes, la minéralisation de la biomasse végétale par les microbes, la sédimentation, la précipitation et autres, régulent l’élimination du phosphore dans les stations d’épuration naturelle des eaux usées (Kengne, 2000). Le phosphore présent dans les systèmes naturels est très souvent associé aux composés organiques sous forme d’ester (C-O-P).

Cette forme n’est biodisponible, qu’après hydrolyse enzymatique en présence d’oxygène. L’élimination du phosphore sera donc d’autant plus rapide, que le milieu sera riche en oxygène, que la minéralisation sera rapide ou que le substrat sera facilement dégradable (Kpondjo, 2011). Par contre, d’autres auteurs stipulent que l’élimination du phosphore s’effectue d’une part par exportation des plantes lors des récoltes et d’autre part contrôlée par un ensemble d'interactions physico-chimiques contrôlées par le potentiel redox, le pH, et d’autres ions (Koné, 2002 ; Akowanou, 2012).

Les processus d’élimination du phosphore sont présentés dans la figure 5.

Figure 5: Principaux processus de transformation du phosphore dans les systèmes d'épuration des eaux usées

Source : (Reddy et d'Angelo, 1996 citées par Kengne, 2000)

4.4. Processus d’élimination des germes pathogènes

L’élimination des germes pathogènes présents dans les eaux usées se fait généralement à travers des mécanismes complexes faisant intervenir des interactions entre les composantes physico-chimiques et biologiques présentes dans la lagune (Kengne, 2000). Les principaux processus d’élimination sont :

 la photo-inhibition dont le moteur est le rayonnement solaire. Elle est régie par les mécanismes phytobiologiques (ultraviolet, biocides) et photo-toxiques (couplage entre le rayonnement et les substances chimiques présentes dans l’eau) ;

 le broutage, phénomène de compétition/prédation par rapport aux bactéries ;

 la sédimentation de bactéries liées aux particules (Colin, 2007)

 Les mécanismes réactionnels conduisant à l’abattement des différentes formes de pollutions des bassins à macrophytes flottants sont complexes, et leur déroulement est influencé par les paramètres physico-chimiques du milieu. Cependant, on peut retenir que :

 L’abattement de la pollution carbonée est contrôlé par la fixation par les racines, et la décantation des MES, ainsi que par l’activité bactérienne ;

 La pollution azotée est éliminée par le prélèvement des plantes, et les réactions de nitrification et de dénitrification ;

 L’élimination du phosphore est principalement due au prélèvement des plantes, qui consomment le phosphore pour leur croissance ;

 Les germes pathogènes sont éliminés par la photo-inhibition, le broutage, la sédimentation de bactéries liées aux particules.