Notre étude ambitionnait par ses travaux expérimentaux, apporter un support technique pour la mise en place d’une politique de gestion des eaux usées sur le Campus Universitaire d’Abomey-Calavi (CUAC), situé dans la commune d’Abomey-Calavi au Bénin. La figure 2.1 présente sa localisation en encadré vert avec les différents sites de pompage des eaux usées et la mini STation d’Epuration (STEP) expérimentale de lagunage installée. Les coordonnées de ces points ont été prises à l’aide d’un GPS GARMIN 60 et sont précisées dans le tableau 2.1.
La mini STEP a été installée sur le Centre Technologique Pratique pour Eau potable et Assainissement (CTPEA) au CUAC (Figure 2.2). Le système mis en place a été constitué de réservoirs (tanks), alimentés par les eaux usées provenant de la fosse septique du bâtiment canadien F (FS Bât F) et de celle du bâtiment Génie-Civil (FS Bât GC) de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC).
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Figure 2.1. Carte de la commune d’Abomey-Calavi montrant le CUAC Source :AGUE etKPONDJO (2011)
Tableau 2.1. Coordonnées en degré des sites et STEP
Points Longitude Latitude
FS Bât F 22° 20’ 34,4’’ 6° 24’ 46,4’’
FS Bât GC 2° 20’ 21,2’’ 6° 24’ 47,1’’
STEP 2° 20’ 18,6’’ 6° 24’ 47,0’’
Légende : FS Bât F = fosse septique bâtiment F ; FS Bât GC = fosse septique bâtiment Génie-Civil.
La FS Bât F est celle du bâtiment F, la troisième des résidences canadiennes en face de l’EPAC. Les deux autres points se trouvent à l’annexe de l’école (département Génie-Civil).
La figure 2.2 présente un plan de masse du CUAC, qui montre la STEP et la FS Bât GC.
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2.1.1.1CONDITIONS CLIMATIQUES
Situé dans la commune d’Abomey-Calavi, le CUAC est caractérisé par un climat de type guinéen, avec deux saisons humides (mi-mars à mi-juillet et mi-septembre à mi-novembre) et deux saisons sèches (mi-novembre à mi-mars et mi-juillet à mi-septembre) (ADAM etBOKO, 1983). La pluviosité moyenne annuelle avoisine 1.200 mm (AKOUEDEGNI, 2011).
Les conditions mésologiques allant de pair avec le bon fonctionnement du lagunage, qui a traité dans ce cas précis avec un matériel végétal (macrophytes flottantes), les paramètres climatiques tels que la température, la pluviosité et l’évapotranspiration potentielle (ETP) étaient importants. Ils permettent de mieux comprendre l’éthologie des plantes dans leur nouvel écosystème.
La température est un facteur environnemental, qui influence fortement la croissance bactérienne et conditionne aussi les performances de l’épuration. Sa moyenne mensuelle varie entre 27 °C et 31 °C avec un écart de ± 3,2 °C entre le mois le plus chaud (mars) et celui le moins chaud (août).
L’humidité relative de l’air est l’un des facteurs du pouvoir évaporant de l’atmosphère en relation avec la transpiration des plantes (AKOUEDEGNI, 2011). Elle joue par conséquent un rôle important dans le lagunage. D’après le même auteur, les moyennes mensuelles de l’humidité relative ont varié de 76,84% (janvier) à 84,55% (juillet).
La figure 2.3 présente l’évolution de la pluviosité, de l’ETP et de la température au Sud-Bénin en 2008.
Figure 2.3. Evolution de la pluviométrie, de l’ETP et de la température au Sud Bénin en 2008 Source : ASECNA, 2008 cité par AKOUEDEGNI (2011)
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L’évapotranspiration potentielle a connu sa valeur maximale en mars et celle minimale en juin. Ce qui corroborait parfaitement les constats antérieurs, qui stipulaient qu’elle est liée à la température de l’air, à son humidité relative, au vent et au couvert végétal (BOUKARI, 1998).
La pluviosité présentait deux pics distincts des autres, qui délimitaient en effet, les quatre saisons citées précédemment. Son pic maximal était atteint en juin. La température par contre variait très peu et a atteint sa valeur maximale en mai.
2.1.2LABORATOIRES
Les deux laboratoires suivants ont été mis à contribution pour les analyses des essais :
le Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau (LSTE), l’unité d’accueil pour notre stage de fin d’étude qui est situé au département Génie-Civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ;
le Laboratoire de Contrôle de Qualité des Eaux et Aliments (LCQEA) du ministère de la santé.
2.1.2.1 LABORATOIRE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L’EAU ET CENTRE TECHNOLOGIQUE PRATIQUE POUR EAU POTABLE ET ASSAINISSEMENT
C’est un nouveau laboratoire, qui a officiellement ouvert ses portes le 8 octobre 2010, grâce au concours d’un projet dénommé NUFFIC/NPT/BEN/151. Il est avant tout, un cadre pratique pour les étudiants apprenants ; le CTPEA permet aux étudiants de passer de l’échelle de laboratoire à l’échelle pilote, voire grandeur nature pour une meilleure appréciation des options technologiques. Egalement, le LSTE sert de laboratoire de référence pour des marchés d’analyse physico-chimique et de traitement des eaux usées, potables et de surface.
2.1.2.2LABORATOIRE DE CONTROLE DE QUALITE DES EAUX ET ALIMENTS
Sous tutelle de la DHAB, ce laboratoire œuvre en collaboration avec d’autres structures comme l’EAA à instaurer une meilleure hygiène aux populations. Il met en application les mesures décisionnelles prises par l’institution de tutelle et par des surveillances analytiques de l’hygiène et de l’assainissement dans les petites agglomérations.
2.2. DEMARCHE EXPERIMENTALE
La démarche adoptée est structurée en les deux étapes fondamentales suivantes :
recherche documentaire ;
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collecte des données.
2.2.1RECHERCHE DOCUMENTAIRE
La recherche documentaire est une étape capitale, permettant d’avoir une vue synoptique des travaux effectués dans le domaine d’étude. Elle a permis en effet, de recueillir des informations susceptibles d’éclairer le sujet et de dégager les pistes d’investigations.
Le centre de documentation de DCAM-Bethesda, la bibliothèque de l’EPAC et les moteurs de recherche tels que scholar.google.com, scholar.google.fr et www.sciencedirect.com, ont permis de naviguer sur des sites internet des universités et instituts spécialisés dans le domaine du traitement des eaux usées. Ces outils étaient entre autres, les moyens par lesquels, ont été consultés et exploités des thèses de doctorat, des mémoires d’ingénieur et de master, des publications scientifiques, ainsi que des rapports d’atelier, de projets et de programmes de recherches relatifs à la valorisation des déchets liquides domestiques, aux systèmes extensifs de traitement des eaux usées, au lagunage à macrophytes flottantes et aux différents paramètres de suivi du fonctionnement et de performances épuratoires du système. Ces paramètres ont été: le potentiel d’hydrogène (pH) ; la température (T) ; le potentiel redox (EH) ; la conductivité électrique (χ) ; la turbidité (Turb) ; l’oxygène dissous (O2) ; les Matières en Suspension (MES) ; la Demande Chimique en Oxygène (DCO) ; la Demande Biochimique en Oxygène pendant 5 jours (DBO5) ; le Carbone Organique Dissous (COD) ; l’azote Kjeldahl (NTK) : l’azote nitrique 3 ; l’azote nitreux 2 l’azote ammoniacal ( 4) ; les orthophosphates ( 43 ) ; les coliformes fécaux (CF) et les streptocoques fécaux (SF).
2.2.2COLLECTE DES DONNEES
Durant la deuxième étape de cette démarche expérimentale, de façon concrète le travail de collecte des données a été exécuté en les deux grandes phases suivantes : phase de terrain et phase de laboratoire.
2.2.2.1PHASE DE TERRAIN
L’objet de cette recherche a été la réalisation de deux grandes opérations : l’évaluation spécifique des performances épuratoires de trois macrophytes flottantes et leur combinaison par des bassins en série pour le traitement des eaux usées. De ce fait, dans sa globalité, la phase de terrain a consisté à :
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la mise en place de la station de simulation du lagunage (Figure 2.4) sur le CTPEA ;
la collecte du matériel végétal : plants de jacinthe d’eau, de laitue d’eau et de lentille d’eau sur la rivière Sô, un bras du lac Nokoué (CEG Nokoué) ;
la culture de ces plants dans les bassins (tanks) mis en place ;
la caractérisation de l’influent et de l’effluent (à l’entrée et à la sortie de chaque bassin), pour des analyses physico-chimiques et microbiologiques aux laboratoires LSTE et LCQEA.
De façon spécifique, il s’est agi de la conception du dispositif expérimental, de son installation sur le CTPEA et du lancement de l’expérience.
CONCEPTION ET INSTALLATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Les pilotes de la mini STEP (dispositif expérimental) n’étaient rien d’autre que des tanks, à défaut des bassins bétonnés (Figure 2.4). Nous avons donc :
- en tête du dispositif : un récipient de prétraitement (dégrillage, dessablage, déshuilage), mais dans la pratique, les MES perceptibles ont été extraites de l’affluent manuellement ; - une première lagune dite lagune anaérobie (tank de 2,81 m3), a été alimentée d’eaux brutes
(mélange eau de chasse et fèces) pompées des fosses FS Bât F et FS Bât GC à l’aide d’une pompe motorisée et d’un camion de vidange de la société SERDAMI INTER ;
- les 2ème, 3ème et 4ème lagunes à macrophytes flottantes (jacinthe d’eau, laitue d’eau, lentille d’eau) avec une surface par bassin de 1,02 m2 ;
- une connexion des différents réservoirs au bassin anaérobie par des tuyauteries en PVC ; - à la fin du dispositif, nous avons disposé d’un ouvrage d’évacuation (tonneau de 250 l).
Notons que ce dispositif n’a été qu’un cas de figure pour la première phase. Lors de la combinaison au cours de la seconde phase, les lagunes ont été mises en série.
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Evaluation des performances épuratoires des trois macrophytes flottantes
Combinaison des trois macrophytes pour l’épuration des eaux usées, en fonction des rendements spécifiques
Sortie de la STEP Bassins en parallèles à macrophytes
1
2
3 Entrée eaux
domestiques
Canal + Dégrilleur + dessablage et pré-décantation
Bassin de décantation (anaérobie)
Lagune 2 Lagune 1
Bassin anaérobie Eaux usées traitées,
à divers usages Sortie STEP Lagune 3
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La figure 2.4 a présenté la maquette de la STEP, que nous avons réalisée en amont des différentes activités effectuées sur le terrain ; ce qui nous a servi de modèle pour implanter la station.
Nous avons surélevé le bassin anaérobie (tank bleu) et créé une ouverture à 0,90 m du sol, pour la communication avec les bassins à macrophytes flottantes (tanks blancs). La hauteur d’eau dans ces bassins secondaires a été déjà déterminée, en fonction du temps de séjour fixé.
Les tuyaux de 32 mm de diamètre (en PVC) ont servi à raccorder le bassin anaérobie aux autres bassins d’une part (phase I) et à la mise en série des bassins à macrophytes flottantes d’autre part. Ce diamètre a été choisi, afin d’éviter considérablement les risques de colmatage dans les canalisations et l’obstruction des orifices des vannes d’alimentation (32 mm). En somme, les ouvertures des bassins ont été mises à la même hauteur en parallèle, de même qu’en série.
JUSTIFICATION DE LA DUREE DE L’EXPERIENCE
Temps de rétention
Bassin anaérobie
Les temps de rétention des eaux usées dans ce bassin, avant l’ouverture des vannes ont été fixés à t1 = 3 j et t2 = 7 j en fonction des travaux de plusieurs auteurs (MARA, 1997 ; OMS, 1987 ; SAQQAR et PESCOD, 1995) cités par EFFEBI (2009).
Bassins à macrophytes flottantes
Dans notre étude, les bassins prédisposés à accueillir les macrophytes flottantes ont été au départ vides (système non continu). Ainsi pour ce faire, le temps de séjour des eaux usées dans les lagunes a été différent de celui de leur contact avec les plantes.
Nous avons fixé à t = 15 j, le temps de rétention des eaux usées dans chaque bassin à macrophytes flottantes. En fonction des dimensions des bassins et du temps de séjour, le débit théorique (Q) imposé pour la circulation des eaux usées dans ceux-ci a été de 2,40 L/h (Tableau A1 en annexe 1). Dans sa mise en œuvre, la valeur exacte du débit n’a pas pu être respectée. Les vannes utilisées dans le dispositif expérimental pour alimenter à des débits constants les réservoirs blancs, ont un grand diamètre ; ce qui n’a pas rendu aisé le calibrage ou le réglage du niveau d’ouverture.
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IDENTIFICATION DES MEILLEURES ESPECES EPURATRICES DES DIFFERENTES POLLUTIONS
Les plants des espèces collectés ont été ensuite cultivés dans les bassins. Soit une couverture des plantes à 1/3 de chaque bassin et ce qui correspondait à 20 à 50 plants de jacinthe d’eau et de laitue d’eau. Pour la lentille d’eau, une quantité correspondant au 1/3 de la surface du bassin a été estimée.
A l’entrée comme à la sortie de la STEP, le niveau de pollution de l’affluent et de l’effluent a été évalué par la mesure sur des échantillons d’eau de ce qui suit : MES ; DBO5 ; DCO ; COD ; CF ; SF ; composés azotés ; des composés phosphorés ( 43 ). La qualité de l’eau traitée (effluent) à la sortie des bassins de la STEP dépend surtout de l’abattement de ces paramètres. Le rendement de traitement par paramètre est déterminé par la formule (3) :
P : paramètre ; r : rendement en %.
Un suivi de l’abattement des pollutions carbonée, azotée, phosphorée et microbienne dans les bassins secondaires, dans un ordre de supériorité des performances épuratoires a permis d’opérer un meilleur agencement pour la seconde phase de l’expérience. Pour réduire les nuisances liées à leur prolifération et estimer la biomasse produite par chaque espèce, l’enlèvement des vieilles plantes (pieds matures) et le renouvellement si possible de plants ont été opérés dans les bassins à macrophytes flottantes (au moins 6 j après leur entrée) ; tout ceci dépendait du taux de croissance des plantes. L’enlèvement des pieds matures a été fait manuellement. Après chaque récolte, la masse est pesée et comparée à celle initiale mise en culture. La formule (4) suivante a permis de déterminer les biomasses végétales à la fin d’un essai.
BV = biomasse végétale (kg/m2) ; MH = poids humide (kg) ; SBM = surface bassin à macrophytes flottants (m2).
La question sur la stolonification des espèces a été approfondie, en comptant le nombre d’individus à l’entrée et à la sortie du système ou après la récolte. Ainsi, les densités surfaciques des espèces ont été évaluées en exprimant leur productivité en nombre de pieds ou de plants par m2.
r = entrée sortie
entrée × 100 (3) , avec :
BV= MH SBM
(4) , avec :
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COMBINAISON DES TROIS MACROPHYTES FLOTTANTES
En fonction des abattements de la première phase, les lagunes facultatives ont été mises en série. La mise en série a en effet, consisté à deux raccordements entre les trois bassins de macrophytes à une hauteur de 0,13 m du support bétonné des bassins. Cette hauteur fixée en fonction du temps de séjour spécifique des eaux usées de chaque bassin a permis de maximiser la hauteur d’eau utilisable pour le traitement.
Après un temps de rétention dans le bassin anaérobie, les eaux usées ont successivement séjourné dans les bassins secondaires mis en série, où les mêmes analyses ont été effectuées.
L’objectif visé par cette combinaison était d’améliorer les résultats du traitement des eaux usées par les plantes.
Les différentes programmations d’analyse et le nombre d’échantillons analysés ont été mis en annexes (Tableau A3 en annexe 1).
La figure 2.5 a donné une vue de la mini STEP fonctionnelle.
CURAGE DES BOUES
Durant tous les essais, les curages ont été en général faits à la fin du système ; soit après les 15 j de temps de rétention des eaux usées dans les bassins à macrophytes, ainsi que pour le bassin anaérobie. Cependant, un curage régulier du bassin anaérobie, en particulier pour le dernier essai relatif à la combinaison a été opéré. Ceci, à cause de l’état trop trouble des eaux usées pompées. Le curage a consisté à un raclage journalier des boues formant une croute à la surface du bassin à l’aide d’une pelle et de sceaux (Figure A4 en annexe 3). Les boues ont été
Figure 2.5. Photographie de la STEP à macrophytes flottantes Cliché :KPONDJO (2011)
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séchées au soleil. Les sous-produits issus de l’épuration des eaux usées de la mini STEP devaient normalement servir de matières premières pour le compostage à expérimenter sur site. Toutefois, la durée du stage a été l’un des paramètres ayant limité cette possibilité.
2.2.2.2PHASE DE LABORATOIRE
Les échantillons d’eau prélevés ont été analysés au laboratoire. Les teneurs des paramètres de performances épuratoires, sauf celles des MES ont été dosées au LDHAB. Les autres paramètres (T, pH, EH, χ, Turb, O2) ont été mesurés soit in situ, donc directement sur le site d’expérimentation ou au LSTE.
DEMARCHE D’ECHANTILLONNAGE POUR L’ANALYSE DES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES ET MICROBIOLOGIQUES
Bassin anaérobie
Ces différentes analyses de performances épuratoires du système étaient faites au niveau de chaque bassin. De façon spécifique, pour le bassin anaérobie, dès le pompage des eaux des fosses septiques de la résidence canadienne F, nous avons procédé à la caractérisation physico-chimique et microbiologique de l’eau. Des mesures journalières des paramètres T, O2, pH, EH, Turb, χ ont été prises, avant et après l’ouverture des vannes, pour l’alimentation de l’eau prétraitée vers les bassins secondaires. Ces échantillons étaient ensuite analysés au laboratoire. Au moins deux campagnes de prélèvement ont été réalisées pour les performances épuratoires. Les organismes globaux recherchés étaient les CF et SF. En effet, ces deux groupes d’organisme sont des bio-indicateurs de contamination fécale et renseignent sur la présence des germes pathogènes, responsables de maladies hydriques.
Bassins à macrophytes flottantes
Pour les lagunes à macrophytes flottantes, le débit d’écoulement de l’eau dans les tanks blancs a été la raison fondamentale pour laquelle, nous avons attendu un temps tθ = t15 Ŕ tλ, temps au bout duquel la hauteur d’eau a été propice à la culture des macrophytes et ceci avant de lancer les prélèvements. Soit à t = tλ+ 5 j, un prélèvement par lagune à macrophytes et dès les 10ème et 15ème j trois prélèvements, dont un par bassin secondaire. Néanmoins, un traitement primaire s’était opéré avant la culture des plantes, car la surface d’un volume donné des eaux usées dans chaque bassin a été brassée d’air. Les résultats du premier essai ont statué sur le temps de contact des eaux usées avec les macrophytes flottantes.
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Les caractérisations des eaux usées pour la phase II dans les quatre bassins ont été plus régulières (Tableau A2 en annexe 1). Au vu de tout ce qui précède, une durée de 18 j était fixée pour la phase I et de 24 j pour la combinaison.
Néanmoins, un premier essai test courant les mois d’août et de septembre a été lancé avec les eaux vannes de la FS Bât GC, afin d’étudier le comportement des plantes avec la qualité des eaux usées. Ainsi, pour les essais relatifs aux deux phases expérimentales, nous avons utilisé les eaux usées de la résidence canadienne F et ceci grâce à la collaboration du Centre de Recherche des Œuvres Universitaires (CROU) de l’UAC.
2.3MATERIEL ET METHODES ANALYTIQUES
L’évolution du traitement des eaux usées de l’entrée à la sortie de la station et les performances épuratoires du système ont été suivies par les mesures des paramètres suivants : 2.3.1TEMPERATURE
La température est un paramètre physique, qui affecte les différents échanges air-eau, en influençant le pH, la conductivité électrique et les vitesses de réactivité des différentes activités métaboliques dans l’eau. Elle a été mesurée et exprimée en °C en même temps que la conductivité et le pH, grâce aux appareils : conductimètre ; pH mètre pH 3110 SET 3 (WTW).