Présentation de la structure d’accueil

Le Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau est une unité de recherche scientifique mis en place dans le cadre du projet NUFFIC/NPT 151. Il a été créé le 26 Juillet 2010 et est dirigé depuis cette date par le Professeur Martin Pépin AINA Maître de Conférences des Universités CAMES. Installé au département de génie civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, c’est un laboratoire de recherche et de prestation de service. Il accueille des étudiants de divers niveaux de formation (Licence Professionnelle, Ingénieur, master DESS, DEA et doctorat) pour leur recherche de fin de formation.

Les domaines de compétences du LSTE sont la mécanique des fluides et le génie des procédés de traitements des eaux (usées et potables), des déchets. A ce titre, il est une référence scientifique en eau et assainissement dont les recherches actuelles sont axées sur :

 Les contaminants : l’identification et la caractérisation des sources, le transport et le devenir dans les unités de traitement et dans l’environnement.

 La valorisation des déchets solides et des matériaux locaux

 La modélisation des écoulements de surface et souterrain, et l’étude des réseaux hydrauliques.

Ces axes sont relatifs à l’utilisation des matériaux locaux dans la conception des procédés de traitement de l’eau comme l’argile pour réaliser les filtres en céramiques, les sons de riz et les noix de coco pour la fabrication du charbon actif, l’insertion des procédés d’oxydation avancée dans l’élimination des polluants comme le procédé d’électrocoagulation, les mécanismes réactionnels dans les réacteurs, la valorisation des plantes aquatiques dans le traitement des eaux usées et l’extraction du potentiel de cette biomasse pour la production du biogaz et du biocarburant, le développement d’une stratégie analytique pour l’étude de la contamination des produits piscicoles par les pesticides utilisés en milieu cotonnier et le transport des contaminants issus des activités agricoles et des décharges dans les sols et aquifères du bassin de l’Ouémé. Face à une gestion intégrée des ressources en eau, le laboratoire s’intéresse également à la résolution numérique, analytique et l’étude expérimentale des écoulements de surface et souterrain, la modélisation des inondations et l’optimisation de schémas d’aménagement pour l’assainissement et l’eau.

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 5 Par ailleurs, les services du laboratoire LSTE sont sollicités par plusieurs grandes structures de la place notamment le Ministère de l’Environnement, la SONEB, la DG Eau, l’EAA, le CNERTP, le LERGC, etc.

I.1.2.Localisation du LSTE et organisation du LSTE

Le laboratoire des sciences et techniques de l’eau est situé sur le campus d’Abomey-calavi (figure 2) au département génie civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi. La salle principale de ce laboratoire est mitoyenne à celle mutualisée d’informatique du master CUD-UAC au département de Production et Santé Animale (figure 3).

Le personnel permanent du LSTE est essentiellement composé du responsable principal, des enseignants chercheurs collaborateurs et membres, d’un ingénieur recherche office de technicienne permanente et de doctorants (figure 1). Le responsable est le professeur Martin Pépin AINA et la technicienne principale est l’ingénieur Flora AGBOMENOU ADJAHATODE.

Figure 1. Situation Géographique du Centre Universitaire d’Abomey-Calavi (Dovi, 2011)

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 6 Figure 2. Situation géographique du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau (Lste, 2013)

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 7 I.2. Généralités sur l’épuration par les filtres plantés de roseaux

I.2.1. Eaux usées

Les eaux usées sont des eaux chargées de résidus solubles ou non, provenant des rejets d’une collectivité ou des activités anthropiques (Akowanou, 2012). Les eaux usées sont aussi les eaux qui ont été déjà utilisées et qui doivent être traitées avant son rejet dans le milieu récepteur. On distingue quatre types d’eaux usées à savoir :

 Les eaux usées domestiques :qui proviennent des différents usages domestiques de l’eau. Elles se répartissent en eaux ménagères, qui ont pour origine les salles de bains et les cuisines et en eaux vannes ; il s’agit des rejets des toilettes. Elles proviennent des usages résidentiels tels que la lessive, l’eau de vaisselle, la cuisine, les toilettes et les douches. (Djihouessi, 2010)

 Les eaux usées industrielles : qui sont les eaux rejetées après son utilisation dans un procédé industriel ou après sa production au cours de ce procédé. Leurs caractéristiques varient d’une industrie à l’autre. (Yahiattene et al. 2010)

 Les eaux usées agricoles : sont des eaux usées provenant d’une part des établissements zootechniques et d’autres part de l’agriculture intra et périurbaine très pratiquées dans les bas-fonds marécageux, dans les espaces libres ou en périphérie urbaine avec dans certains cas l’utilisation d’engrais chimiques et de pesticides.(Akowanou, 2012)

 Les eaux usées pluviales : quant à elles, sont des eaux de lavage des rues, des jardins, parkings publics, et les eaux de drainage des sols. L’eau de pluie se charge d’impuretés au contact de l’air (fumées industrielles) puis des résidus déposés (résidus de pneu, carburants) en ruisselant sur les toits et les chaussées. (Yahiattene et al. 2010)

I.2.2. Matières polluantes des eaux usées

Les matières polluantes contenues dans les eaux usées ne sont pas de même nature. Leur nuisance est fonction de leur nature. Il existe quatre grands types des matières polluantes à savoir : Matières organiques, minérales, particulaires et dissoutes

I.2.2.1. Matières organiques

Les matières organiques (MO) proviennent surtout des sanitaires et des cuisines, sous forme de protides, glucides (sucres), lipides(graisses), urée et produits du métabolisme (Rejsek, 2002). Ces matières sont facilement et moyennement biodégradables. Par ailleurs, il existe des

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 8 matières organiques comme les fibres cellulosiques, lignite …etc qui sont moyennement biodégradables. A cela s’ajoute les MO qui sont non biodégradables. La biodégradabilité ou la non biodégradabilité des MO est connue grâce au ratio DCO/DBO5.Le ratio DCO/DBO5

donne une première estimation de la biodégradabilité de la MO d’un effluent donné. On convient des limites suivantes (Yahiattene et al. 2010) :

 DCO/DBO5< 2, l’effluent est facilement biodégradable

 2 <DCO/DBO5< 3, l’effluent est moyennement biodégradable

 DCO/DBO₅> 3, l’effluent est non biodégradable

I.2.2.2. Matières minérales (MM)

Les MM sont des éléments chimiques naturels qui proviennent des roches, sols. Elles sont de nature différente. Il s’agit de sable, limons …etc.

I.2.2.3. Matières particulaires

Les matières particulaires sont d’origine organique (fragment d’aliment ou résidus de digestion) ou de nature minérale (sables, argiles, particules solides insolubles) (DOVI, 2011).

Elles sont constituées des matières en suspension (sable, limon, débris organiques) et des matières colloïdales (argiles fines par exemple). Ces dernières sont responsables d’ensablement et troublent l’eau. La présence de particules en suspension favorise la survie des bactéries et des virus et est à l’origine de nombreux problèmes comme ceux liés au dépôt des matières (envasement, dégradation anaérobie). Ils peuvent être éliminés par des traitements simples de décantation ou de filtration.

I.2.2.4. Matières dissoutes

Elles concernent des composés minéraux (en général plus ou moins ionisés) ou organiques, macromoléculaires ou non, ainsi que des gaz souvent très solubles dans l’eau. Comme exemple nous avons : MO, sel, CO₂, SO₂, NH₃. (Djihouessi, 2010)

I.2.3. Matières polluantes recurrentes des eaux usées I.2.3.1. Matières carbonées

Les matières carbonées des EUD sont composées d’une multitude de MO. Comme exemple nous avons : les hydrates de carbone, les protéines, les matières grasses, huiles, pesticides

…etc. Ces MO proviennent des organismes vivants, industries agroalimentaires des papeteries, industries du bois, industries textiles…etc.

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 9 I.2.3.2. Matières azotées

Elle provient essentiellement des eaux vannes, sous forme organique, dans la proportion de 85% pour l’urine et de 15% pour les matières fécales (Rejsek, 2002). Le lessivage des sols agricoles peut également constituer une source de pollution diffuse à cause de la présence d’ammoniac dans les sols fertilisés et de nitrate dans les engrais (Bourrier, 2008).La présence d’azote est une gêne pour la production d’eau potable à cause des risques de santé liés à la présence de nitrites et nitrates dans l’eau. Elle est également gênante pour les plans d’eau car source d’eutrophisation et de mortalité des poissons.

I.2.3.3. Matières phosphorées

Les sources de phosphates sont : le lessivage des roches dans des environnements carbonates, les contaminations fécales, les pollutions domestiques. La principale source du phosphate contenu dans les eaux usées provient des rejets urbains et sont dus en grande partie à l’usage des détergents. Assimilés par les algues, les phosphates se transforment en phosphore organique sous l’influence de la photosynthèse. Au-delà de 20 µg/L en P dans les eaux naturelles, cet élément est considère comme un facteur déterminant de l’eutrophisation des plans d’eau(Rodier, 2009). Tout comme l'azote, le phosphore est un constituant essentiel pour le développement des plantes, sa disponibilité ayant une influence directe sur leur croissance.

La présence des plantes crée un environnement physico-chimique favorable à l'absorption et à la complexation du phosphore inorganique, qui est ainsi assimilé sous forme d'ortho-phosphate au niveau des racines et des parties immergées. Cette assimilation est influencée par la disponibilité de l'azote (Akowanou, 2012).Les phosphates ne sont pas toxiques mais peuvent conduire à des problèmes d’acceptation (goût et coloration).

I.2.4. Les filtres plantés de roseaux I.2.4.1. Historique

Le procédé de traitement des eaux usées par les filtres plantés a été développé pour la première fois en Allemagne dans les années 1960 par le Docteur Kathe Seidel (Koné, 2011).

Depuis lors, de nombreux travaux ont été effectués de par le monde dans le but de maitriser et de procéder à son développement.

Les filtres plantés de roseaux se sont ensuite exportés en France au cours des années 70-80.

En effet, l’expérience a démarré en 1978 par l’évaluation du Cemagref l’ancien Irstea d’un système réalisé par Dr Seidel pour un site d’accueil d’enfants composé de cinq étages de

Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 10 traitement en série (association de filtres à écoulement vertical et horizontal). Alimenté en eaux usées brutes, ce système, bien qu’amélioré dans une seconde phase, nécessitait d’être optimisé pour être réellement compétitif. Néanmoins, l’intérêt de la filière était certain et fut amélioré lors des expériences suivantes : Pont Rémy (qui a vu l’arrivée du siphon, 1985), puis Gensac la Pallue (1987), dimensionnée par le Cemagref, proche des bases de dimensionnement du première étage de la filière classique actuelle, ont servi de base à une recherche encore en évolution.

Ils ont été introduits dans différents pays d’Afrique tant au nord qu’au sud au tour de 1990.

Les différents travaux menés dans la plupart des pays africains (Egypte, Kenya, Maroc,…etc.) restent encore à l’échelle expérimentale. Au Bénin, les filtres plantés à écoulement vertical sont récemment expérimentés, au CTPEA de l’EPAC (Déguenon et al. 2012). Cependant, il n’existe pas actuellement de station de traitement des eaux usées domestiques par les filtres plantés de roseaux dans notre pays.

I.2.4.2. 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