Le principe du traitement

L’exposition de la partie supérieure des bassins à la lumière permet la prolifération des algues planctoniques qui produisent par photosynthèse l’oxygène nécessaire au développement et au maintien des bactéries aérobies (Figure 41). Ces dernières interviennent dans le processus de minéralisation, qui consiste à dégrader la matière organique complexe en composés minéraux simples (NH4+, NO2-, NO3-, SO42-, PO43-) et en gaz (CO2, H2S, CH4, NH3...), grâce à l’activité de micro-organismes. Ceci entraîne un phénomène d'eutrophisation favorable à la prolifération des algues, dont la photosynthèse permet d’entretenir ce cycle épuratoire qui s’autoentretient tant qu’il reçoit de l’énergie solaire et de la matière organique, et permet également, l'élimination de la pollution microbienne, ce qui est un avantage par rapport aux autres techniques d'épuration (Berland, 2014; WHO, 1987).

Figure 41 : Principe de traitement naturel des eaux résiduaires par lagunage

La charge importante en matières en suspension, et la profondeur de chaque bassin empêche la pénétration de la lumière dans la partie profonde, et par conséquent la production d’oxygène à ce niveau, par photosynthèse. Ce sont donc les bactéries anaérobies qui dégradent les sédiments issus de la décantation de la matière organique. Cette dégradation entraîne un dégagement de gaz carbonique et de méthane et s’effectue en deux étapes anaérobies principales :

- l’hydrolyse des composés organiques en composés à courte chaîne.

- la transformation des composés intermédiaires à courte chaîne en gaz (e.g.CH4, CO2, H2S) qui migrent vers la partie supérieure où ils sont oxydés (Berland, 2014; US EPA, 2011).

1.2.1 Atténuation de la lumière

La pénétration de la lumière à l’intérieur de chaque bassin joue un rôle primordial dans le traitement par lagunage. En effet, elle contrôle l’élimination des agents pathogènes, ainsi que la concentration et la production de la population algale, à travers les longueurs d’onde actives photo- synthétiquement (entre 400 et 700nm) ; de plus certaines longueurs d’onde peuvent avoir des propriétés bactéricides (Davies-Colley et al., 1997, 1999). En effet l’atténuation de la lumière dans chaque bassin varie d’une longueur d’onde à l’autre. Plus la longueur d’onde est importante, plus la distance qu’elle parcourt à l’intérieur du bassin est importante. Selon l’angle avec lequel le photon pénètre dans le bassin, il peut atteindre une profondeur à laquelle les photons sont soit absorbés, soit dispersés (Curtis et al., 1994; Heaven et al., 2005). L’absorption par les substances humiques et les algues est le phénomène prépondérant. Par conséquent, la différence des concentrations en population algale est responsable de la variation des coefficients d’atténuation de la lumière entre les bassins.

1.2.2 Influence des changements diurnes et de la stratification thermique

Le lagunage naturel fonctionne sous la contrainte des changements réguliers de certains facteurs environnementaux, comme la température, les précipitations, l’évaporation, la vitesse du vent, et l’intensité des rayons solaires, qui contrôlent l’abondance des algues et l’activité symbiotique

Algues planctoniques O2 Bactéries aérobies ou facultatives +CO2 Sels minéraux + CO2 Minéralisation de la matière organique Énergie solaire

des microorganismes. L’utilisation du rayonnement solaire comme source d’énergie soumet le lagunage naturel à un cycle présence – absence de la lumière, qui implique des variations physicochimiques qui peuvent modifier le fonctionnement des bassins et par conséquent l’efficacité du traitement. Les changements diurnes impliquent généralement une consommation de CO2par les algues pendant la journée (photosynthèse), et une augmentation du CO2 pendant la nuit suite à la respiration des algues et des bactéries. L’augmentation des concentrations en oxygène dissous pendant la journée est suivie par une augmentation du pH dans les bassins, probablement à cause des ions OH-. Ce cycle provoque de plus des changements non négligeables de température, qui varie en fonction de la profondeur de chaque bassin créant une stratification thermique. Ainsi, une variation annuelle de 10°C peut augmenter ou diminuer de 60%, le rendement épuratoire de la STEP.

Le degré de variation de la distribution thermique en fonction de la profondeur dépend des saisons : les bassins sont plus stratifiés en été qu’en hiver. Les limnologistes ont divisé les masses d’eau en trois couches. La première est appelée epilimnion, c’est la couche d’eau isotherme qui s’étend de la surface jusqu’à la couche appelée thermocline où la température de l’eau commence à changer rapidement avec la profondeur. Puis vient la couche profonde isotherme appelé l’hypolimnion qui s’étend jusqu’au fond de la lagune. Les forces de conduction qui tendent à éliminer le gradient de température sont très faibles entre chaque couche. La qualité de l’eau stockée dans chacune de ces couches dépend d’une part des mouvements naturels intrinsèques, qui mélangent l’eau à l’intérieur de chaque couche, et la façon avec laquelle ces forces de mélanges réagissent avec les autres couches d’eau.

1.2.3 Effets des échanges de température entre l’eau de surface et

l’atmosphère

Le taux des échanges de température entre l’atmosphère et l’eau de surface dépend principalement de la température de cette dernière. La surface de chaque bassin subit constamment des changements de température à cause de facteurs externes comme la radiation solaire, ainsi que de facteurs internes comme les processus de conduction et de diffusion. Les changements de température de l’eau sont accompagnés de changement de densité : lorsque la densité de l’eau à la surface est supérieure à celle de l’eau qui est au-dessous, les particules d’eau de cette dernière remontent vers la surface, et la première descend en profondeur jusqu'à atteindre une couche d’eau de densité égale. Le processus de diffusion de l’eau tiède vers le haut continue lorsque la température est supérieure à 4°C. Lorsque la température de l’eau est inférieure à 4°C, l’eau froide flotte à la surface des bassins alors que l’eau chaude descend vers le fond.

1.2.4 Effets du vent

L’effet du vent sur la distribution de la température est considéré comme un facteur important qui favorise le processus de diffusion verticale. En effet, les forces de frottement entre le vent et la surface de l’eau créent un courant qui dirige non seulement la partie superficielle de chaque bassin, mais aussi une partie importante de la masse supérieure d’eau dans la direction du vent. La circulation complète de l’eau de chaque bassin par le vent se produit seulement pendant l’hiver lorsque toute la masse d’eau est de densité égale. Pendant les autres saisons, ce type de circulation est empêché par la différence des densités de l’eau, qui garde la thermocline et l’hypolimnion en état de stagnation et empêche la circulation de l’eau vers l’épilimnion (Badrot-Nico et al., 2010).

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