1-1 LABORATOIRE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L’EAU (LSTE) 1-1-1- Présentation
1-1-1-1- Présentation de la structure d’accueil et du cadre d’étude
• Statut du LSTE
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.
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.
• Localisation du LSTE et organisation du LSTE
Le laboratoire des sciences et techniques de l’eau est situé sur le campus d’Abomey-Calavi au département génie civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey 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 (PSA).
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. Le responsable est le Professeur Martin Pépin AINA et la technicienne principale est l’ingénieur Flora AGBOMENOU ADJAHATODE.
Figure1 : Situation géographique du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau
1-2- STATION SONEB DE VEDOKO 1-2-1- Présentation
La distribution d’énergie électrique et d’eau était assurée au Bénin depuis la période de l’indépendance jusqu’à fin Décembre 2003, par une seule et unique société : Société Béninoise d’Electricité et d’Eau (SBEE). Cette société a changé plusieurs fois de dénomination pour diverses raisons. En effet, la convention du 30 Septembre 1955 avait concédé à la Compagnie Coloniale de Distribution d’Energie Electrique (CCDEE) toutes les installations qui étaient en gérance sous régie. Après l’indépendance du Bénin, la CCDEE est devenue successivement Compagnie Centrale de Distribution d’Energie Electrique et Compagnie Centrale de Distribution d‘Eau et d’Electricité. En 1973, l’Etat Dahoméen sous la Révolution, en prenant en charge les secteurs vitaux de l’économie nationale, a procédé à la nationalisation de la Compagnie Centrale de Distribution d’Eau et d’Electricité. Par l’ordonnance n°73-13 du 07 Février 1973, il a été créé la Société Béninoise d’Electricité et d’Eau (SBEE). En 2003, une réforme institutionnelle de la Société Béninoise d’Electricité et d’Eau a abouti à la séparation des deux activités « Eau et Electricité » qui ont donné naissance respectivement à la Société Nationale des Eaux du Bénin et à la Société Béninoise d’Energie Electrique. La SONEB a donc été créée par le Décret n° 2003-203 du 12 Juin 2003. Elle a pour mission le captage, le transport, le traitement, la distribution et la commercialisation de l’eau potable, ainsi que l’évacuation des eaux usées en milieu urbain qui demeure jusque-là non fonctionnelle.
1-2-2- Laboratoire central
Les attributions de ce laboratoire sont les suivantes : - la définition et le suivi des procédés de traitement d’eau;
- la gestion du stock (fiches), le suivi de la consommation des produits de traitement et l’alerte à temps des services en charge du réapprovisionnement;
- le contrôle de la qualité des produits de traitement;
- l’élaboration et la mise en œuvre d’un programme annuel de suivi et de contrôle régulier de la qualité des eaux produites et distribuées;
- la surveillance permanente des ouvrages de traitement et exécution des menus entretiens préventifs et curatifs à bonne date;
- le contrôle de la pollution des ressources en eau;
- l’optimisation de l’efficience des procédés de traitement (plus d’efficacité à moindre coût);
- la recherche de nouveaux produits de traitement : - la gestion des plaintes relatives à la qualité de l’eau;
- la formation (continue) des chimistes et agents des stations et la vulgarisation des méthodes de traitements;
-le suivi de l'approvisionnement dans les délais requis des laboratoires régionaux en réactifs et matériels d'analyse;
-l’actualisation des procédés et modes opératoires relatifs à la qualité des eaux.
1-3- Généralités sur les Eaux Usées
Dans une agglomération les eaux à évacuer sont de trois types : - Eaux de ruissellement
- Eaux usées, d’origine domestique - Eaux industrielles.
Ces eaux peuvent être séparées ou mélangées, ce qui fait apparaître la notion d’effluent urbain constitué par des eaux usées, d’origine domestique, plus ou moins polluées par des eaux industrielles et plus ou moins dilués par des eaux de ruissellement[7].
1-3-1- Les Eaux de ruissellement
Les eaux de ruissellement comprennent les eaux de pluie, les eaux de lavage et les eaux de drainage. La pollution des eaux de ruissellement est variable dans le temps, plus forte au début d’une précipitation qu’à la fin par suite du nettoyage des aires balayées par l’eau. Les eaux de ruissellement en provenance des cours de fermes sont également assez polluées [7].
1-3-2- Les Eaux usées d’origine domestiques
Les eaux usées d’origine domestique comprennent :
- Les eaux ménagères (eaux de cuisine, de lessive, de toilette, buanderie, salle de bain) - Les eaux vannes (en provenance des W.C, matières fécales et urines).
Activité domestique Volume rejetée (%) Cuisine : Evier
Les eaux usées constituent un effluent pollué et nocif. Leur étude doit s’effectuer sous le double point de vue physico-chimique et biologique, tout en notant la présence d’inhibiteurs. Ils renferment :
- Des matières minérales ; - Des matières organiques
Les matières minérales sont constituées par le résidu sec, après chauffage dans une coupelle au rouge, de l’ensemble des matières recueillies après évaporation. Elles ne sont pas dangereuses.
Les matières organiques sont celles qui sont volatilisées lors du chauffage dans les mêmes conditions que ci-dessus. Dans toutes les matières organiques, en dehors des composés principaux – C, O, N, H – il existe en quantités faibles, ou même à l’état de traces,
des éléments qui jouent un rôle important dans les processus de dégradation, ou d’assimilation (par exemple S, Fe, Cu, P).
Ces matières se présentent sous trois formes dans les eaux usées domestiques : - Matières en suspension vraie, décantables en deux heures ;
- Matières en suspension non décantables en deux heures, soit en raison de leur granulométrie très fine, de leur densité très voisine de l’eau ou encore de leur état colloïdale ;
- Matières dissoutes [7]
1-3-4- Les Eaux industrielles
Les eaux industrielles sont celles en provenance des diverses usines de fabrication ou de transformation.
Les eaux industrielles sont extrêmement variées selon le genre d’industrie dont elles proviennent. Elles contiennent les substances les plus diverses, pouvant être acides ou alcalines, corrosives ou entartrantes, à température élevée, souvent odorantes et colorées. Ces eaux peuvent nécessiter un prétraitement en usine car il faut éviter d’accueillir dans le réseau général, des eaux ayant subi des altérations de nature telle que leur traitement se révèlerait difficilement compatible avec celui des effluents urbains. Leur rejet direct dans le réseau, s’il est possible, nécessite une étude soignée du nombre d’équivalents-habitants auquel correspond l’industrie étudiée et de l’influence des corps toxiques et inhibiteurs qu’elles contiennent [7].
Les quantités d’eau évacuées par les industries dépendent de plusieurs facteurs : - Nature de l’industrie
- Procédé de fabrication utilisé
- Taux de recyclage effectivement réalisé
1-3-5- Les Critères généraux de Pollution des Eaux Usées
La pollution des eaux résiduaires urbaines est généralement évaluée par la mesure des matières en suspension (MES, MVS, Turbidité), de la pollution organique carbonée (DCO, DBO5, COT), des différentes formes d’azote (NTK, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-) et des principales formes de phosphore (Pt, Orthophosphates, Polyphosphates). Nombre de ces critères de pollution sont : pH, eH, O2 dissous, Température, Conductivité, MES, DCO, DBO5, NTK, Pt [8].
1-3-7- La Coagulation-Floculation
Les matières colloïdales, tant organiques que minérales, peuvent être éliminées par coagulation. La coagulation consiste en l’addition d’agents chimiques à une dispersion de colloïdes en vue de les déstabiliser de manière à les rassembler sous forme de flocs. La coagulation implique donc d’une part la formation d’hydroxydes complexes sous forme de flocons. La précipitation consiste à former un composé insoluble du polluant dont on désire l’élimination. La coagulation est appliquée, par exemple, pour l’élimination de la turbidité ou de la coloration des eaux usées [4 ; 5].
• Principes
Les colloïdes que l’on trouve habituellement dans les eaux usées ont des dimensions qui varient approximativement de 100µ à 10µ et sont caractérisés par un potentiel Zêta de -15 à -20 mV. La stabilité des suspensions colloïdales est due aux forces de répulsions induites par un potentiel Zêta élevé, à l’adsorption de colloïdes protecteurs lyophiles relativement petits sur des colloïdes hydrophiles de plus grande dimension, ou encore à l’adsorption d’un polymère non ionique. Les particules microscopiques et colloïdales sont stabilisées par la formation de couches électriques, solidaires de la particule ; comme ces dernières ont toutes la même charge, elles se repoussent mutuellement et gardent leur individualité. L’épaisseur de la couche électrique et la densité de charge électrique sont influencées par la concentration et la valence des ions en solution. Par conséquent, la stabilité de la suspension pourra être fortement modifiée par l’ajout d’ions convenablement choisis. Le potentiel Zêta est une mesure de la stabilité du système ; il représente le potentiel nécessaire pour affranchir la
couche d’ions entourant la particule et ainsi la déstabiliser. La signification du potentiel Zêta est précisée.
Figure 2 : Potentiel Zeta [5]
1-3-8- Les Réactifs
Les réactifs de coagulation les plus utilisés sont le sulfate d’alumine, la chaux et les sels ferriques. Il existe aussi les polymères organiques, naturels ou de synthèse [5].
• Coagulation à l’aide de sulfate d’aluminium
Le sulfate d’aluminium, Al2(SO4)3.18H2O réagit comme suit : Al2 (SO4)3 + 3Ca (OH) 2 = 2Al (OH) 3 + 3CaSO4
En fait, l’ion aluminium subit une succession de réactions d’hydrolyse pour former des hydroxydes complexes multivalents. Ces complexes sont chargés positivement en milieu acide et négativement en milieu alcalin. L’hydroxyde d’aluminium répond donc à la formule générale Al2O3.xH2O et est un composé amphotère.
• Coagulation à l’aide de sels ferriques
Les sels ferriques (FeCl3, Fe2(SO4)3) réagissent selon la réaction suivante : Fe3+ + 3OH- = Fe(OH) 3
L’hydroxyde insoluble est produit dans un large intervalle de pH 3 à 10. Le floc est chargé positivement en milieu acide, négativement en milieu alcalin. Les deux complexes coexistent entre pH 6,5 et 8,0. Le sulfate ferreux est aussi utilisé.
• Coagulation à l’aide de Chaux
La chaux agit différemment, elle réagit avec l’alcalinité calcique (précipitation de carbonate de chaux) et avec les orthophosphates (précipitation d’hydroxyapatite calcique).
Les sels de magnésium, éventuellement présents, précipitent à pH élevé sous forme d’hydroxyde qui agit comme floculant. C’est sans doute pour cette raison que la clarification est souvent meilleure à pH élevé.
Ca2+ + HCO3- + OH- = CaCO3 + H2O
5Ca2+ + 4OH- + 3HPO4 = Ca5 (OH) PO4)3 + 3H2O Mg2+ + 2OH- = Mg(OH) 2
• Les adjuvants
La coagulation peut être améliorée par addition d’adjuvants dits de coagulation qui renforcent la structure du floc, le grossissent et rassemblent des flocs dispersés, améliorant ainsi la clarification de l’effluent [5]. On distingue : la silice activée, silico-aluminate, alginates, amidons (extrait de pomme de terre, de tapioca, extraits de graines végétales), polysaccharides (contenant des dérivés de cellulose, gommes, tanins, xanthanes) [2].
1-3-9- Les matériaux naturels
Le Moringa n’est pas la seule plante à posséder des propriétés floculantes. Le Moringa est peut-être davantage connu en raison de l’efficacité de son pouvoir floculant mais aussi du fait que la partie floculante (la graine) est facile à produire et que son prélèvement ne nuit pas à la survie de l’arbre (contrairement aux écorces, racines et même parfois feuilles).
Cependant, la liste ci-dessous montre que le genre Moringa n’est pas le seul à être utilisé traditionnellement pour clarifier l’eau.
L’utilisation de plantes floculantes est un héritage des peuples d’Asie et d’Afrique. La clarification traditionnelle présente cependant des problèmes récurrents qui nuisent à son efficacité :
- extraction insatisfaisante du coagulant - dosages aléatoires
- absence d’agitation ou agitation inadéquate
- manque de précaution lors du prélèvement de l’eau clarifiée - mauvais stockage
Il existe des techniques de trempage d’écorce et de feuilles, d'agitation de poudres végétales dans des sacs en coton qui sont peu efficaces. Peu de coagulants naturels traditionnels sont utilisables. [17]
Beaucoup de floculants naturels appartiennent au même genre et la même famille [17]. La recherche de floculants naturels doit utiliser des techniques scientifiques comme la taxonomie, chimie, physico-chimie [18].
Les substances floculantes réagissent avec les colloïdes par la formation de ponts chimiques et compte tenu de leur charges électriques, les polyélectrolytes cationiques sont les plus efficaces (charges négatives des colloïdes).
1-3-9-1- Liste de végétaux ayant des propriétés floculantes
• Boscia senegalis : sa résine d’écorce, qui est peut-être toxique est utilisée pour clarifier des eaux faiblement à fortement turbides. La production de résine peut être stimulée par la même technique que pour le caoutchouc. Les coagulants sont des polypeptides.
• Maerua : l’action coagulante se fait avec les racines [17].
• Moringa : ses graines sont utilisées pour clarifier des eaux faiblement à fortement turbides. L’effet du floculant du Moringa est le même que celui d’un polyélectrolyte cationique synthétique. Des coagulants ont été repérés dans des graines de Moringa oleifera, M. peregrina, M. stenopetala, M. longituba, M. Drouhardii, M. ovalifolia, M.
concanensis. Cependant, des Moringaceae plus rares contiennent certainement des coagulants eux aussi.
- longituba: la dose optimale de coagulant à employer est la plus faible des doses à employer avec les Moringa (sauf pour le M. stenopetala)
- oleifera : les graines de M. oleifera contiennent de 25 à 34% d’huile et 6 polypeptides différents. C'est un arbre qui pousse vite et fructifie la première année.
- stenopetala : les graines contiennent 9 polypeptides différents avec beaucoup de proline. C'est un arbre volumineux, plus adapté aux régions montagneuses que le M.
oleifera. Il ne fructifie pas la première année. Le poids de ses cotylédons varie de 270 à 575mg. la dose optimale de coagulant à employer est la plus faible des doses à employer avec les Moringa (sauf pour le M. longituba)
- peregrina : Les graines de M. peregrina contiennent 53% d’huile et la dose optimale de coagulant à employer est importante. C'est la dose à employer la plus forte des Moringa.
• Cereus : sa sève est un clarifiant traditionnel d’eau très turbide mais peu efficace.
• Opuntia : la sève est utilisée pour les eaux dont les marges de turbidité sont limitées [17]. Cette sève est le meilleur coagulant naturel d’Amérique latine [18].
- ficus-indica : les Tunafloc A et B isolés à Lima sont des adjuvants de coagulation prometteurs [17].
- dilenii : contient des polymères carbohydratés dans la sève des cladodes qui agit comme des adjuvants de coagulation par adsorption de la matière en suspension [18].
- Leguminales : Le galacto mannans est la molécule floculante des léguminales - Phaseolus mungo : les graines constituent un faible coagulant (Jahn, 2001).
- faba : les graines sont utilisées pour des eaux dont les marges de turbidité sont limitées [17].
- Strychnos potatorum : leurs graines sont broyées dans des jarres pleines d’eau dont les marges de turbidités sont limités pour la clarification traditionnelle. C’est un polyelectrolyte anionique [17]. Ce végétal constitue un adjuvant de coagulation [17].
- Prunus armeniaca : le noyau contenant probablement des polymères actifs, c’est coagulant traditionnel et un coagulant primaire mais les noyaux contiennent aussi de l’amygdaline [18].
- Prunus persica : le noyau est un coagulant primaire
- quebracho-colorado : le tanin de son écorce est un floculant, il possède des molécules utilisées dans le Floccotan d’Argentine [17].
- Blepharis : Constitue un adjuvant de coagulation [17].
- Hypoestes : constitue un adjuvant de coagulation [17].
- Hypoestes verticillaris : les graines sont utilisées pour des eaux dont les marges de turbidité sont limitées [17].
- Aloe vera : la sève des feuilles contient du glyco-aloe-modinanthrone et des tannins qui sont des adjuvants de coagulation. Elle agit par adsorption de la matière en suspension. [17]
- Cucurbita moschata : les feuilles écrasées constituent un coagulant faible [18]
- Diospyros kaki : la sève des fruits contient des tannins, peut être toxique, qui possèdent un effet clarifiant, c’est un coagulant faible [18].
- Cyrtomium (=Aspidium) falcatum : les racines écrasées adsorbent la matière en suspension, aucunes données n’existent sur la toxicité [18].
- Anamirta paniculata les graines et les fruits ont des pouvoirs de clarification par adsorption de la matière en suspension, mais ils contiennent de la fibrotoxine [18].
1-3-9-2- Autres Floculants non végétals
Les algues brunes constituent un adjuvant de coagulation [17].
Clarifiants minéraux :
- « assarmu » nigérien (minéral toxique) pour les eaux faiblement à fortement turbides.
- des argiles clarifiantes sont assez efficaces mais leur action est lente.
- alun
- arsenic disulfide [18]
- gypse CaSO4 [18].
Animaux : Les colles d'os ou de peaux d'animaux contiennent du collagène qui agit comme un adsorbant (ex: ejiao fait avec de la peau de singe).
1-3-10- Le Cactus : Description de la plante
Les Opuntioidées appartiennent par leurs formes bizarres aux plantes les plus primitives du monde végétal. Toutes les Opuntioidées ont en commun des glochides redoutables, munies de minuscules aiguillons dont la pointe n’est visible qu’au microscope, qui poussent sur des aréoles laineuses et restent fixés dans la peau au moindre contact. C’est avec des pincettes ou dans un bain d’eau savonneuse chaude qu’on parviendra le mieux à s’en débarrasser. Parce que la plupart des Opuntioidées croissent facilement, exigent peu de soins et un terreau simple, le profane les assimile facilement aux ‘’Cactus’’ au sens général du terme. Leur pays d’origine est l’Amérique. La tige du Cactus ressemble à une grande feuille gonflée (Cladode). Il serait extrêmement intéressant de le décomposer et de le comparer à une vraie feuille verte. On les trouve en Amérique, du Canada à la Patagonie, et des côtes jusqu’à des hauteurs de 5000m dans les Andes. Leurs fruits en forme de figues donnent, dans quelques régions d’Amérique, une importante nourriture que les indigènes appellent ‘’Tuna’’.
En Espagne également, on apprécie les fruits et le temps de leur maturité donne lieu à une sorte de fête populaire. Les Opuntioidées demandent un endroit ensoleillé, chaud, dans un terreau sablonneux, elles supportent bien une fumure pendant le temps de la pousse et ont besoin d’une atmosphère sèche et fraîche, de 6-8°C. Les fruits charnus contiennent les graines, pâles, de la grosseur d’une lentille, rarement plus grandes, avec une enveloppe dure qui rend la germination difficile. Selon l’analogie de leur forme, on distingue plusieurs types d’Opuntia : Opuntia robusta, scheerii, gosseliniana, dillenii, santa rita, basilaris, tomentosa, genuis bergeriana, quim ilo, leucotricha, microdasys, sulphurea, retrosa, eurassavica, ficus indica, compressa, huifusa, rhodantha, fragilis, longispina, soerensii, brasiliensis [13].
1-3-11- Les Plantains : Description et localisation
Les plantains sont cultivés dans les zones humides et se trouve dans les assolements tel que maïs-arachide. Il n’a qu’une tige souterraine sur laquelle se développent les bourgeons
Les plantains sont cultivés dans les zones humides et se trouve dans les assolements tel que maïs-arachide. Il n’a qu’une tige souterraine sur laquelle se développent les bourgeons