Pépite | Elaboration d'un pilote de filtration horizontale pour la potabilisation de l'eau dans les pays en voie de développement : aspects (bio) physico-chimiques

Texte intégral

(1)Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. N° d’Ordre : 41695. THESE Présentée à. L’UNIVERSITE-LILLE1 SCIENCES ET TECHNOLOGIES. Ecole Doctorale Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement UFR de Chimie Pour obtenir le grade de DOCTEUR Spécialité : Optique et Lasers – Physico-chimie – Atmosphère Par Bienvenu Armand Eric FOTO. Elaboration d’un pilote de filtration horizontale pour la potabilisation de l’eau dans les pays en voie de développement. Aspects (bio) physico-chimiques. Date de soutenance : le 26 Février 2015 à 10h Amphithéâtre MORSE, Bâtiment TELECOM. Marc ELSKEN Fréderic HUNEAU Sonja LOJEN Barbara LOUCHE D. NIEWIADOWSKI Abdel BOUGHRIET Joseph MABINGUI Michel WARTEL. © 2015 Tous droits réservés.. Professeur, Free University of Brussels (VUB) Président Professeur, Université de Corse Pascal Paoli Rapporteur Senior Scientist, Jôzef Stefan Institute(Slovénie) Rapporteur Maitre de conférences, Université d’Artois Examinateur Ex Responsable SCAC Ambassade France RCA Examinateur Maitre de conférences, HDR Université d’Artois Directeur Professeur, Université de Bangui Co- Directeur Professeur Émérite, Université Lille 1 Co-Directeur. doc.univ-lille1.fr.

(2) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Remerciements Au terme de ce travail, il m’est agréable d’exprimer ma reconnaissance à tous ceux qui m’ont permis de le réaliser. En premier lieu, je tiens à remercier Messieurs Abdel BOUGHRIET, HDR, Maître de Conférences, à l’Université d’Artois, Directeur du travail ; Michel WARTEL, Professeur Emérite à l’Université de Lille 1, personnage central de cette histoire, qui a suivi mon travail pendant ces quatre longues années et qui m’a toujours soutenu, même quand il n’y croyait plus. Je remercie M. Joseph MABINGUI Professeur à l’Université de Bangui, qui a accepté de conduire ces travaux jusqu’à la fin. Je remercie Madame Barbara LOUCHE, Maître de Conférence à l’Université d’Artois qui malgré un emploi du temps très chargé a accepté de m’initier à la modélisation des phénomènes hydrogéologiques, et m’a conseillé lors de nombreux entretiens pour l’adaptation du logiciel MODFLOW à notre problème. Son avis scientifique, ses appréciations et conseils m'encouragent à poursuivre et développer l’utilisation de ce logiciel dans mes futures activités de recherche scientifique. Je tiens à remercier Mme Sonja LOJEN Senior Scientist de l’Institut Jôzef STEFAN à Ljubljana (SLOVENIE) et M .le Professeur Fréderic HUNEAU, de l’Université de Corse Pascal Paoli pour avoir accepté de juger ce travail. Je remercie aussi Monsieur Didier NIEWIADOWSKI Ancien Chef du service de Coopération et d’Action Culturelle à l’Ambassade de France à Bangui, et Monsieur. le. Professeur. Marc. ELSKEN,. Professeur,. l’Université. libre. de. Bruxelles(Belgique) pour leur participation au jury. Je présente toute ma gratitude à Monsieur Eric CARLIER pour m’avoir permis de faire des mesures de la perméabilité du sable au laboratoire Polytech de Lille 1 Je remercie particulièrement MM. Baghdad OUDDANE Professeur et Gabriel BILLON Professeur pour m’avoir accueilli au sein de leur équipe (actuellement associée au LASIR et anciennement Géosystèmes.. Je souhaite aussi mentionner M. Antoine MONTIEL, ancien responsable de la qualité des eaux à « Eaux de Paris » et M. LAYA Chef de Service qui ont accepté de mettre à ma disposition le plan de construction du pilote de filtration horizontale, je leur dois cette réussite.. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(3) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Je tiens à remercier tous ceux et toutes celles, sans qui cette thèse n’aurait pu voir le jour, avancer, rebondir et finalement aboutir en particulier : - les chercheurs et personnels techniques du laboratoire Géosystèmes: Christine GRARE pour l’aide technique et les diverses commandes de matériels et de réactifs ; Romain DESCAMPS pour m’avoir aidé aux analyses chimiques par l’ICP-AES ; Ludovic LESVEN, David DUMOULIN Emilie PRIGIEL, Jocelyn, Anastasia, Tudor, Suzanah, Sopheek, Kader, Véronique, et Laurence Cousin la secrétaire pour leur sympathie. Au quotidien, j’ai bénéficié d’un environnement de qualité au sein du Laboratoire grâce à leur accueil chaleureux et leurs discussions - le personnel technique du laboratoire de Géologie (bâtiment SN5) notamment, Philippe RECOURT pour les analyses diffractométries et par Microscopie Electronique à Balayage et Mme Laurence DEBEAUVAIS pour les analyses chimiques -M. Marc Pelletier Chef de Service du laboratoire de la Société Lhoist à Nivelles pour les mesures de surfaces spécifiques et porosité -M. Nicolas Proix, Ingénieur INRA pour les analyses de carbone organique particulaire. - Messieurs Oscar Allahdin, Narcisse Zoudamba, Nicole Poumayé, Eric Basse-Keke, Bruno Nguerekossi, Belvia Bagoua, Chantal Djebébé, Olga Biteman, pour leur participation et soutien matériel aux campagnes de prélèvements. -Aux feux Saint Charles Dehou et Jérémie Malenguinza. qui nous ont quittés. précipitamment, je leur garde un bon souvenir et que leurs noms soient gravés dans notre mémoire. Je reste très reconnaissant aux membres de l’Equipe « CHAIRE UNESCO » du Laboratoire Hydrosciences Lavoisier, notamment : Jean-Laurent SYSSA- MAGALE, Marie-Céline GOTHARD- BASSEBE, Bienvenu SONGUELET, Paul NGAISSONA, Jean Noël KOANE, Barthel KOGUENGBA et Evrard MALONGA pour leur soutien moral. J’adresse ma reconnaissance aux personnels de la Sodeca tout d’abord Pierre BATERA ancien Directeur Technique, Pierre LEBARAMO Directeur Technique,. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(4) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Yves Yalanga Bera Chef de Service de la production et Mesdames Mylène Kouagou, Yako Karoua pour avoir accepté que le pilote puisse être installé dans l’enceinte de la dite société. Je les prie tous ici de croire à ma reconnaissance. -Cette étude n’aurait pas été possible sans le financement de l’Ambassade de France à Bangui dont j’ai bénéficié par une bourse durant quatre années universitaires, de la Région Nord-Pas-de-Calais et de l’Agence de l’eau Artois Picardie qui ont permis l’équipement du Laboratoire Lavoisier et ainsi de réaliser certaines expériences à Bangui. Je tiens tout particulièrement à remercier MM F. BEHUE, Nadia ISAAC, J. P. DESCHAMPS, Jean Claude RICHARD, Danielle LEJEUNE du service de coopération et d’actions culturelle (SCAC) à l’Ambassade de France à Bangui pour l’aide matérielle et morale qu’ils m’ont apportée. -Sincères reconnaissances à M. Giani Colangelo Etudiant au Lycée Dinah Derycke pour avoir dessiné le plan de construction du pilote, et MM. Potin et Jésus élèves ingénieurs en génie civil à l’Institut des Sciences et Technologies de l’Université de Bangui pour leur participation à la construction di pilote, sans oublier M. Jérôme Bocaert. Artisan en France venu à Bangui superviser les travaux de construction du pilote. -Dans le même ordre, je remercie infiniment Bernard VEDRY, Conseiller Scientifique «Resnaturalis » qui par sa compétence a permis l’identification des espèces aquatiques (diatomées, algues, bactéries,…) retenus par le sable. -Merci aussi, à tous les personnels de campus France pour avoir organiser tous mes séjours en France dans le cadre de cette mobilité. Je voudrai aussi adresser une pensée à tous ceux qui de quelque manière que ce soit, par un conseil, une idée, un coup de main ou tout simplement leur amitié, m’ont aidé à réaliser ce travail de recherche. Je voudrai terminer par tous ceux qui, de l’extérieur m’ont encouragée : ma mère, mon père, mes frères et sœurs et les familles BARRAS, GBARSSIN, FOTO,. LOUNGOUNDJI,. TORINGAÏ. ainsi. que. KOUAGOU ,MARBOUA,. © 2015 Tous droits réservés.. LOUMOUNDJI, mes. proches. GUESSA,. MAKA. KOUTOULINGAR, ami(e)s ,. Bob. KONDJI,. LAGUEREMA KONZI,. Thierry. YOMBO-GBAKA,. doc.univ-lille1.fr.

(5) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. EREGANI,GONIDANGA,SOLAMOSSO,VOTO le SP dynamique sans oublier ma petite famille Nadia- Elvire, Jordana, Barbara, Kerry et Loïc qui m'ont toujours épaulé lors de mes moments de découragement. Nos remerciements vont aux Institutions suivantes, sans l’appui desquelles ce travail n’aurait pas été possible. Il s’agit de :. -. L’UNESCO ;. -. La. Coopération. Française. (Ministère. Français. de. Affaires. Etrangères,. Ambassade de France à Bangui) ; -. L’Université de Lille 1, Sciences et Technologies. -. La Région Nord Pas-de-Calais ;. -. L’Agence de l’Eau du Nord Pas-de-Calais ;. -. Le Conseil Général du Nord. -. L’Université de Bangui ;. -. La Société PGI à Bailleul ;. -. L’Agence Internationale de l’Energie Atomique ;. -. Le Laboratoire Hydrosciences Lavoisier ;. -. La SODECA. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(6) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Table des Matières INTRODUCTION GENERALE. 1. CHAPITRE I: Connaissances générales de la zone d’étude et principe du système de filtration développé pour le traitement de l’eau 5 I.1 Situation géographique. 6. I-2 Climat et Contexte Démographique et Social. 7. I-3 Problématique de l’eau potable. 8. I-4 La filtration horizontale. 11. I-4.1 Généralités sur la filtration I-4.2 La filtration rapide sur sable I-4.3 La filtration lente sur sable I-4.4 Système de filtration lente développé par Eaux de Paris. 13 13 14 15. CHAPITRE II: Hydrologie générale et qualité de l’eau dans la région de Bangui. II-1 Introduction II-2 Etude de la pluviométrie II-2.1 Précipitations annuelles II.2.2 Précipitations mensuelles. 17 17 19 20. II-3 Potentiel hydrogéologique de la région de Bangui 21 II-4. Qualité des eaux souterraines. 23 II-4.1 Campagnes de prélèvements 23 II-4.2 Résultat des mesures 25 II-4.2a.Définition du signal d'entrée isotopique : stations GNIP 25 II-4.2b.Suivi isotopique des eaux de l'Oubangui station GNIR Oubangui 27 II-5 Eaux souterraines Caractérisation géochimique 29 II-5.1 Paramètres de terrain 29 II-5.2 Ions majeurs 30 II-5.3 Diagramme de Piper et faciès des eaux souterraines 31 II-5.4 Hydrolyse des carbonates et origine des eaux des forages 32 II-6 Influences anthropiques sur l'aquifère superficiel 34 II -7 Eaux de surface de la région de Bangui 35 II-7.1 Qualité des eaux de surface de l’Oubangui 36 II-7.2 Evolution des caractéristiques des eaux de l’Oubangui et de l’affluent le Mpoko, en 2008 39 II-8 Les sédiments 46. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(7) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. II-8.1 Les Eaux interstitielles II-9 Conclusion. 50 53. Chapitre III: Réalisation d’un pilote de filtration horizontale. 55. III-1. Introduction. 56. III-2. Etude préliminaire sur terrain II-3 Matériaux de construction III-3.1 Choix de la Géomembrane. 56 58 58. III-3.2 Granulométrie du sable utilisé dans le pilote. 58. III-3.3 Construction du pilote III-4. Résultats et Discussions III-4.1.Caractéristiques physiques du pilote III-4.2.Etude du débit. III-4.3.Temps de transit des eaux III-4.4.Propriétés Physicochimiques du Pilote III-4.5.Effet des différents compartiments III-4.6.Evolution de la turbidité et des matières en suspension (MES) III-4.7.Evolution d’autres paramètres. 59 64 64 64 65 69 70 70 75. III-4.8 Propriétés bactéricides du pilote. 81. III-5 Conclusion. 84. CHAPITRE IV: Modélisation hydrodynamique du pilote de filtration. 86. IV-1. Introduction IV-1.1.Les Différents types de modèles IV-1.2 Principe de modélisation du pilote de filtration. 87 88 88 90. IV-1.3 Géométrie du modèle et conditions aux limites. IV-2.Détermination des propriétés et paramètres du dispositif IV-2.1. Variabilité spatiale des propriétés des matériaux IV-2.2.Homogénéité – hétérogénéité du milieu. IV-2.3.Perméabilité ou Conductivité hydraulique IV-2.4.Transmissivité IV- 2.5.Porosité efficace ou cinématique IV-2.6.Coefficient de dispersion IV-2.7.Choix et quantité du traceur à injecter IV-2.8.Transport de soluté réactif. 92 92 93 93 94 95 95 98 100. IV-3.Calage du modèle 100 IV-3.1.Vérification du calage 101 IV-3.2.Analyse de sensibilité 102 IV-4 Bilan en eau dans le système 103 IV-5.Comparaison des Courbes Calculées et Observées 104 IV-5.1.Distribution normale de type gaussien 105 IV-6. Résultats et Interprétations 105 IV-7 Evolution du temps de transit des eaux après modification de la granulométrie du sable et des pentes dans les 2 premiers compartiments 106 IV.7.1 Influence de la granulométrie des sables 106 IV.7.2 Influence des pentes. © 2015 Tous droits réservés.. 107. doc.univ-lille1.fr.

(8) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. IV-8Conclusion. 109. CHAPITRE V: Modifications des sables contenus dans le pilote après 16 mois de fonctionnement 110 V.1 Comparaison des propriétés morphologiques des différents sables. 111. V-2 Comparaison des aires spécifiques des différents sables. 115. V.3 Analyse chimique des constituants minéraux des sables. 119. V.3.1 Analyse des composés métalliques V.3.2 .Analyse de la matière organique sur les sables.. 119 121. V.4 Etudes d’adsorption des colorants sur les différents sables V.4.1 Description de l’analyse spectrophotométrique UV/visible V.4.2.Etude de l’adsorption du bleu de méthylène sur les sables V.4.3. Etude des isothermes de Langmuir et Freundlich Isotherme de Langmuir Isotherme de Freundlich. 123 124 125 128 128 128. Conclusion et Perspectives Références Bibliographique Annexes. 134 138 144. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(9) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Glossaire. ACF: Action Contre la Faim AIEA: Agence Internationale de l’Energie Atomique CEMAC: Communauté Economique et Monétaire de l’Afrique Centrale DBO5: Demande Biochimique en Oxygène en 5 jours DCO: Demande Chimique en Oxygène DGH: Direction Générale de l’Hydraulique DGT: Diffusive Gradients in Thin film DRX: Diffractogramme aux Rayons X DSRP: Document de Stratégie de Réduction de la Pauvreté EDS: Energy Dispersive Spectrometry GNIP: Global Network of Isotopes in Precipitations GNIR: Global Network of Isotopes in Rivers ICP-AES: Inductively Coupled Plasma – Atomic Emission Spectrometric ICP-MS: Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometric IDH: Indice de Développement Humain IRD: Institut de Recherche pour le Développement LHL: Laboratoire d’Hydrosciences Lavoisier MEB : Microscopie Electronique à Balayage MES: Matières en Suspensions. MO: Matières Organiques NTU: Nephelometric Turbidity Units OMS: Organisation Mondiale pour la Santé ONG: Organisation Non Gouvernementale ORSTOM: Office de la Recherche Technique Outre – Mer. PIB: Produit Intérieur Brut PNUD: Programme des Nations Unies pour le Développement RCA: République Centrafricaine RDC: République Démocratique du Congo SAUR: Société D’Aménagement Urbain et Rural. SODECA: Société de Distribution de l’Eau en Centrafrique. UCATEX: Usine Centrafricaine de Textile UFC: Unités Formant Colonies UNESCO: Organisation des Nations Unies pour la Science et la Culture VER: Volume Elémentaire Représentatif ;. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(10) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Liste des figures Figure I.1.Carte Administrative de la Centrafrique 6 Figure I.2. Niveau moyen des précipitations par jour chaque année en mm sur Terre de 1987 à 1999 9 Figure I.3.a.Points d’eau de consommation (puits traditionnel) 10 Figure I.3b.Des habitudes hygiéniques défavorables 11 Figure II.1.Evolution des précipitations pour la période 2010 – 2013 20 Figure II.2. Pluviométrie mensuelle( 2010 – 2013) 20 Figure II.3. Retombées moyennes (4 ans) des pluies par mois 21 Figure II.4. Plan de situation de la ville 23 Figure II.5. Localisation des points de prélèvement (septembre 2010) 25 Figure II.6. Diagramme Oxygène-18/Deutérium pour les eaux de pluie et les eaux de surface de la région de Bangui (données GNIP et GNIR) 26 Figure II.7. Evolution temporelle des teneurs mensuelles isotopiques des pluies à la station GNIP/Université 27 Figure II.8 Evolution temporelle des teneurs en isotopes stables des eaux de l'Oubangui (station GNIR/Oubangui) 28 Figure II.9. Comparaison des régimes hydrologiques de l’Oubangui à Bangui pour différentes périodes d’écoulements homogènes entre1936 et 2010 ; 29 Figure II.10 Diagramme de Piper, eaux souterraines de Bangui, campagne de septembre 2010 32 Figure II.11. Relation entre la conductivité électrique et la concentration en bicarbonates pour les eaux souterraines de Bangui de septembre 2010 33 Figure II.12. Comparaison des concentrations en bicarbonates et calcium pour les eaux souterraines de Bangui, campagne de septembre 2010 33 Figure II.13. Comparaison des concentrations en bicarbonates et magnésium pour les eaux souterraines de Bangui, campagne de septembre 2010 34 35 Figure II.14. Relation entre Na+ et Cl- dans les eaux de puits Figure II.15. a) fleuve Oubangui à Bangui52 b) rivière MPoko 37 Figure II.16. Variation de la température, de la conductivité et du pH dans les différents sites étudiés 41 Figure II.17.a) Evolution de la turbidité, b) Evolution de la teneur en matières en suspension dans les différents sites 42 Figure II.18.a) Variation de la turbidité en fonction de la teneur en matières en suspension tous les points, (b) excepté la valeur (Aval Abattoir hautes eaux) 42 Figure II.19a) Variation des teneurs en O2, b) CO2, et c) DBO5 dans les différents sites 43 Figure II.20. Evolution de la teneur en Oxygène (a) et en CO2 (b)avec la DBO5 de l’eau. 44 Figure II.21. Teneurs en Coliformes et streptocoques fécaux dans les différentes eaux 45 Figure II.22.Diffractogramme RX de la fraction argileuse <2µm 47 Figure II.23. Image MEB de grains de sédiments de l’Oubangui 48 Figure II.24. Profils de concentration en espèces dissoutes dans les eaux interstitielles à partir des DGT dans les sédiments près de la zone de captage 51 Figure II.25. Profils de concentration en espèces dissoutes dans les eaux interstitielles à partir des DGT dans les sédiments près du rejet de l’abattoir 53 Figure III.1 Usine de potabilité (Sodeca) ou le pilote est installé sur la colline à gauche du décanteur 57. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(11) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Figure III.2.Evolution de la turbidité avant et après le captage Figure III.3 Origine des sables Figure II.4.Pilote de filtration mis au point par notre équipe. 57 59 60. Figure III.5.Tamisage puis lavage des sables. 60. Figure III.6. Tranchée dans laquelle a été construit le pilote 61 Figure III.7 Déroulement du rouleau de géotextile (polyester) puis du rouleau de géomembrane 61 Figure III.8.. Séparation des filtres 20-40 et 0-4 mm par un géotextile et recouvrement du pilote. 62 Figure III.9. Recouvrement du pilote par la géomembrane imperméable et trappe montrant le décanteur et le bassin d’alimentation de l’arrivée de l’eau au décanteur par l’intermédiaire d’un compteur. 62 Figure III.10. Vues du flotteur dans le bassin d’alimentation lors de la mise en service et du pilote terminé (trappe d’alimentation et les 4 piézomètres) 63 Figure III.11.Schéma du pilote de filtration horizontale 63 Figure III.12.Détails du réservoir d’alimentation et du récepteur (schéma réalisé par Gian Colangelo, étudiant en bac professionnel EDP au Lycée Dinan Dericke) 64 Figure III.13 Volume d’eau relevé au compteur durant 16 mois après de mise en eau 64 Figure III.14 Suivi des teneurs en fluorescéine dans le bassin d’alimentation (ED), les 4 piézomètres, (P1, P2, P3, P4) et le bassin de récupération (EF). L’abscisse représente le volume d’eau en m3 ayant traversé le pilote depuis le 26 Novembre 2009. 67 Figure III.15 Suivi des teneurs en fluorescéine dans le bassin d’alimentation (ED), les 4 piézomètres, (P1, P2, P3, P4) et le bassin de récupération (EF). L’abscisse représente le temps du suivi de l’expérience 68 Figure III.16 Evolution de la turbidité et des Matières en suspension des eaux avant et après le décanteur. 71 Figure III.17 Abattement de la turbidité dans le récepteur durant le premier mois de fonctionnement et évolution de la turbidité dans l’eau finale durant les premiers mois 71 m.3 Figure III.18: Evolution de la turbidité et des Matières en suspension des eaux après le décanteur et le récepteur final 72 Figure III.19 Evolution de la turbidité durant le fonctionnement du pilote dans les différents compartiments 73 Figure III.20 Evolution de la turbidité durant le fonctionnement dans les piézomètres et le récepteur 73 Figure III.21 Evolution des matières en suspension durant le fonctionnement du pilote dans les différents compartiments 74 Figure III.22 Evolution du fer et de l’oxygène dans les compartiments du Pilote 77 Figure III.23 Evolution de l’oxygène et du carbone organique dissous (COD) dans les différents compartiments du pilote 77 Figure III.24 Images MEB de grains collectés près des piézomètres 1 et 2 78 Figure III.25 Images MEB de grain collectés près des piézomètres 3 et 4 79 Figure III.26 Evolution des teneurs en Chlorophylle, Phéopigments particulaires et COD dissous dans les différents compartiments du pilote 80 Figure III.27 Images MEB de surface de sable collecté près du piézomètre 4 80 Figure III.28 Evolution des teneurs en bactéries aérobies à 25° et à 44°C et du Carbone organique dissous dans les différents compartiments du pilote 83 Figure III.29 Evolution des colonies bactériennes dans le pilote 84. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(12) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Figure IV.1Discrétisation en maille (vue de face) 90 Figure IV.1c: Coordonnées des piézomètres dans le dispositif 91 Figure. IV.2: Dispositif expérimental de la perméabilité 94 Figure IV.3 Illustration des sources de dispersion longitudinale (a) et dispersion transverse (b), d’après Fetter (1999) 97 Figure IV.4.solution de fluorescéine 99 Figure IV.5: Vue d’ensemble des courbes observées expérimentalement (pointillées) et calculées (gras) 104 Figures IV.6 (a, b, c, d, e, f): Comparaison des courbes calculées (trait gras) et observées en fonction du temps dans l’eau au niveau de chaque points. (Piézomètres 1, 2, 3 et 4, Bac de décantation (avant entrée) et eau filtrée 105 er Figure IV.7 Influence de la pente du 1 compartiment (en pourcentage) sur le temps de transit 108 er Figure IV.8 Influence de la pente du 1 compartiment (en pourcentage) sur le temps de transit 108 Figure V.1 Image MEB d’une surface d’un grain de sable et cartographies de Al, Ti, Fe, 112 Figure V.2 Image MEB et Cartographie de Al, Si et Fe des grains de sable de l’Oubangui (a), P1, P2, P3, P4 113 Figure V.3. Profils de concentration (MEB) sur des grains de sable de l’Oubangui (a), P1, P2, P3, 114 Figure V.4. Distribution du volume poreux en fonction de la taille des pores pour les sables de différentes granulométries de l’Oubangui et au voisinage de P1 117 Figure V.5. Etat de surface d’un grain de sable prélevé au voisinage de P 1 117 Figure V.6.Courbe comparative du carbone organique en fonction des sites de prélèvements (a) et de la taille (b) des sable 121 FigureV.7.Variations des teneurs en carbone organique avec le fer et carbone organique avec l’aluminium pour les sables de différentes granulométries (0,2-0,4 et 0,6-1mm). 123 Figure V.8 Spectre visible d’une solution aqueuse de bleu de méthylène à différents pH. 124 Figure V.9 Evolution de la quantité de colorant, Qe, en fonction de la concentration Ce ,en colorant à l’équilibre dans l’eau pour les sables de granulométries variables 126 Figure V.10. Evolution de la quantité de colorant, Qe, en fonction de la concentration Ce en colorant à l’équilibre dans l’eau pour les sables des différents sites 127 Figure V.11 Représentation des isothermes de Langmuir et Freundlich des différents sables de tailles (0,2-0,4mm) relatives 130 Figure V.12Evolution de la quantité Qmax en fonction de l’origine des sables d’une part et d’autre part de la taille des particules de sables 131 Figure V.13.Corrélations entre Qmax et la teneur en carbone organique des différents sables 132. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(13) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Liste des tableaux Tableau I.1Desserte en eau potable 10 Tableau II.1 Précipitations totales annuelles 13 Tableaux II.2 résultats des analyses chimiques campagne de septembre 2010 147 Tableaux II.3 résultats des analyses chimiques des ions majeurs pour la campagne d'avril 2011 155 Tableau II.4 Concentrations de différents éléments dissous dans les fleuves Oubangui, Amazone et moyennes mondiales 38 Tableau II.5. Teneurs en µg/L des eaux de l’Oubangui prélevées près de la zone de captage de la Sodéca, avant et après le rejet de l’Abattoir et comparaison avec les teneurs moyennes dans les grands fleuves et les directives européennes 39 Tableau II.6. Rapport Coliformes fécaux /streptocoques fécaux 45 Tableau II.7. Analyse de 3 sédiments (et analyse moyenne) de l’Oubangui après fusion alcaline 46 Tableau II.8. Pourcentages atomiques de différents éléments à la surface des grains dans les zones 29, 30, 31. 48 Tableau II.9 Analyse des composants «mineurs» de grains de sédiment de l’Oubangui 49 Tableau III.1 Caractéristiques des différents géotextiles utilisés 58 Tableau III.2. Transit des eaux dans les différents compartiments du pilote 67 Tableau III.3. Turbidité dans les différents compartiments novembre 2010. 74. Tableau III.4 MES dans les différents compartiments novembre 2010 75 Tableau III.5 Relevé de quelques paramètres dans les compartiments 75 Tableau III.6 Analyses Bactériologiques des eaux prélevées dans les différents compartiments 82 Tableau IV.1 Les coordonnées des points de surveillance 91 Tableau IV.2. Valeurs de perméabilité obtenue expérimentalement, m/s 94 Tableau IV.3. Ordres de grandeur de la porosité efficace pour les matériaux Source : (Olivier Banton, Lumony M. Bangoy, 1997) 95 Tableau IV.4Ordres de grandeur des coefficients de diffusion moléculaire 98 TableauIV.5Facteur de correction a des traceurs (Kass, 1998 ; SSH, 2002) 99 Tableau IV.6. Bilan en eau à l’entrée et sortie du dispositif 103 Tableau IV.7: Evolution du temps de transit des eaux après modification de la granulométrie du sable 106 Tableau IV.8: Influence de la Variation de la pente (%) du compartiment 107 Tableau IV.9 Influence de la Variation de la pente (% )du compartiment 2. 107 TableauV.1: Différentes granulométries des sables étudiées. 111. Tableau V.2 Aires spécifiques et diamètre moyen des pores des sables, de différentes granulométries qui ont été prélevés dans les sédiments de l’Oubangui et au voisinage du piézomètre 1 116 Tableau V.3. Composition chimique des différents sables. 120 Tableau V.4.Détermination du carbone organique total dans les sables de différentes tailles au voisinage des piézomètres (1,2, 3 et 4) et dans le sable de l’Oubangui121 Tableau V.5 Détermination de l’azote dans les sables de différentes tailles au voisinage des piézomètres (1 et 4) et dans le sable de l’Oubangui 122 Tableau V.6.longueur d’onde maximale en fonction du pH des solutions de bleu de méthylène 124 Tableau V.7. Paramètres de Langmuir et Freundlich correspondants à l’adsorption du bleu de méthylène par les sables de différentes tailles 153. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(14) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Introduction Générale. 1 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(15) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Introduction Générale. La disponibilité en eau potable est un des grands problèmes auquel l’humanité doit faire face aujourd’hui. Les problèmes qui y sont associés affectent la vie de plusieurs millions de personnes. En effet, l’eau nécessaire à la vie est aussi essentielle pour le développement économique et social. Les populations ont besoin d’eau en qualité et en quantité pour maintenir leurs activités (agricoles, industrielles, …). Sous la pression de ces besoins, on est passé de l’emploi des eaux de sources et de nappes à une utilisation de plus en plus accrue des eaux de surface. Des lors, l’approvisionnement en eau douce devient de plus en plus difficile en raison de l’accroissement de la population, et du changement climatique dans certains pays. Ainsi, les problèmes de quantité et de qualité se posent avec beaucoup d’acuité pour les populations des pays d’Afrique sub-saharienne en général, notamment ceux qui ont un déficit de pluviométrie tels les pays sahéliens. Par contre, la République Centrafricaine (RCA) dispose d’un réseau hydrographique très dense comprenant les eaux des bassins du lac Tchad et du Congo. Les ressources en eaux renouvelables sont estimées à 144,4 milliards de m3/an. La pluviométrie varie en moyenne entre 1200 – 1500 mm/an avec un faible taux d’évaporation, et la quantité d’eau disponible ne pose actuellement pas de problème. Néanmoins, en dépit des ressources importantes en eau, la RCA est l’un des pays africains où le taux de couverture en service d’alimentation en eau potable et d’assainissement se situe parmi les plus faibles en Afrique. En effet, le taux d’accès à l’eau potable pour la population centrafricaine est estimé en moyenne à 29,5% en milieu urbain et 31,5% en milieu rural, soit un taux national de 28,2% (2006). Le développement de techniques simples de traitement des eaux de fleuve est donc crucial pour ce pays. Si les filières classiques de traitement par filtration sur membrane actuellement de plus en plus utilisées sont. performantes, elles sont. onéreuses et réservées aux pays développés. Le but de notre travail a été de développer un procédé simple, peu onéreux. Nous avons utilisé le principe de la filtration lente. Cette méthode consiste à faire passer l’eau à travers un matériau filtrant à une vitesse inférieure à celle requise 2 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(16) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. pour les filtres rapides à sable (une vitesse de 0,2 m3/h par m2 de surface filtrante est en général satisfaisante). Cette vitesse lente permet le développement d’une grande variété d’organismes dans les premiers centimètres de sable. Ces organismes forment une membrane biologique, appelée « schmutzdecke », qui dégrade la matière organique et permet un traitement biologique efficace contre les pollutions fécales (principales pollutions rencontrées dans les pays peu industrialisés). La filtration lente sur sable qui permet aussi de réduire la turbidité, ne permet de traiter que des eaux peu turbides, en raison de la finesse du sable. Nous nous sommes affranchis de ce problème par la construction d’un décanteur. L’eau utilisée provient du plus grand fleuve de la Centrafrique : l’Oubangui qui draine un bassin de 754830 Km2 et qui constitue la principale ressource d’eau de surface utilisée pour l’approvisionnement en eau potable de la ville de Bangui à partir de la seule station d’eau potable existant dans le pays. Le mémoire sera divisé en cinq chapitres : Le premier est constitué d’une étude hydrologique de la région de Bangui, étude qui fait en partie l’objet de la thèse d’un étudiant centrafricain à laquelle nous avons participé. Le second chapitre, d’un suivi de l’évolution saisonnière des paramètres physicochimiques des eaux de l’Oubangui, et du site de prélèvement. Le troisième chapitre décrit le pilote de filtration horizontale que nous avons construit à Bangui, et le suivi des performances et de la qualité des eaux produites durant une année et demie. Le quatrième chapitre est un essai de modélisation du transit des eaux dans notre pilote, par l’utilisation du modèle MODFLOW 96 (Harbaugh et al., 1996) généralement appliqué aux écoulements souterrains en milieu poreux, anisotrope et hétérogène pour les aquifères captifs, libres ou mixtes selon une équation de diffusivité en utilisant l’approximation des différences finies. Enfin dans le dernier chapitre, nous étudierons l’évolution de la morphologie du sable constituant le pilote après fonctionnement d’une année et demie, permettant d’expliquer l’évolution des performances du pilote.. 3 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(17) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Les résultats obtenus à l’issue deux derniers chapitres devraient nous permettre de proposer les caractéristiques d’un système de filtration horizontale applicable dans ce pays. La conclusion permettra de mettre en évidence les performances obtenues à partir d’un pilote de filtration horizontale développé pour le traitement de l’eau dans un pays équatorial ainsi que ses perspectives d’utilisation .. 4 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(18) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Chapitre I : Connaissances générales de la zone d’étude et. principe du système de filtration développé pour le traitement de l’eau. 5 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(19) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Chapitre I : Connaissances générales de la zone d’étude et principe du système de filtration développé pour le traitement de l’eau I-1. Situation géographique Située au cœur du continent africain, la République Centrafricaine s'étend sur. 623 000 km2 du 2° au 11° parallèle Nord et du 13° au 27° mérid ien Est. Vaste plateau situé entre 600 et 700 m d'altitude, la Centrafrique est délimitée à l'Est de son voisin soudanais par la ligne de partage des eaux entre le Nil et l'OubanguiCongo, au Nord du Tchad par les rivières Akouale et Bar Aouk (Chari), à l'Ouest du Cameroun par le bassin de la Sangha, au Sud-ouest du Congo par le bassin de la Lobaye, et au Sud de la République Démocratique du Congo par l'Oubangui. La côte la plus proche se trouve à 500 km de la frontière centrafricano-camerounaise, ce qui place la capitale Bangui à 1000 km de Douala et 1500 km de Pointe Noire, les deux ports de la côte atlantique par lesquels transite la majeure partie des biens importés en RCA. Le pays est entouré par le Soudan, le Soudan du sud, le Tchad, le Cameroun, le Congo et le l'ex Zaïre appelé République démocratique du Congo.. Figure I.1. Carte administrative de la Centrafrique La végétation varie en fonction de la latitude. La forêt dense équatoriale du Sud cède la place à de la savane dense, puis arborée sur toute la partie centrale, voire à des zones de savane sèche à l'extrême Nord du pays.. 6 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(20) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Si le sol des parties forestières est assez fertile, celui des zones de savanes est essentiellement formé de latérite, terre rouge ferrugineuse et peu propice à la culture. Le réseau hydrographique est important; il fournit notamment une partie de l'énergie du pays grâce aux barrages de Boali et de Mobaye. La Centrafrique est très vallonnée, avec des plateaux situés entre 600 et 700m d'altitude. A l'ouest, une petite chaîne culmine à 1400m avec le mont Pana. Ce pays possède de riches ressources naturelles. Le bois (bois précieux), les diamants, l'or et le fer sont les plus exploités. L’uranium et le pétrole ne sont pas exploités. La plupart de la population cultive le manioc qui est l'aliment de base. I-2. Climat et contexte démographique et social La Centrafrique (RCA) est un pays enclavé. Le climat en Centrafrique est fonction de la latitude à laquelle on se situe : le sud du pays connaît un régime équatorial, avec d'importantes précipitations durant la saison des pluies qui dure de mars à novembre (taux d'humidité pouvant atteindre 100% en forêt). En remontant vers le nord du pays on observe une diminution progressive de la durée de cette saison des pluies ; le climat passe par différents stades intermédiaires et devient de type sahélien à l'extrême nord (saison des pluies d'une durée inférieure à quatre mois, taux d'humidité pouvant descendre jusque 10%). La moyenne annuelle des températures avoisine 26°C à Bangui, 23,4°C à Bouar (ville située dans le massif montagneux de l’Ouest) et à 26,5°C à Birao ville du Nord. Les précipitations sont plus importantes dans la vallée de l’Oubangui (1780mm) que dans la partie centrale (1300mm) et dans les zones semi - arides du Nord- Est et de l’Est (760mm). La RCA compte environ 4,5 millions d’habitants, avec une population essentiellement jeune et inégalement répartie :1 habitant au km2 dans la Région Haute Kotto, Bamingui Bagoran et Vakaga, à 9295 habitants au km2 dans la Région de Bangui (La ville de Bangui compte 622.771 habitants soit 16% de la population ;voir DSRP(Document de Stratégie de Réduction de la Pauvreté 2010). La pauvreté est un phénomène réel en République Centrafricaine (RCA) car 67,2% de la population, soit 2.618.000 personnes, vivent en dessous du seuil de pauvreté national, dont 72% en milieu rural et 59% en milieu urbain.. 7 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(21) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. L’indice du développement humain (IDH) s’est considérablement détérioré entre 1990 et 2006, plaçant la RCA parmi les cinq derniers pays à l’échelle mondiale selon l’indicateur de développement humain (0,34 soit le 183 ème sur 187 pays) du PNUD (2006), et dernier parmi les pays de la sous région de la CEMAC. Avant les événements de décembre 2012, on estimait que près de 70 % des Centrafricains vivaient dans la pauvreté, soit avec moins de 1,25 $ par jour. Plus de 30% des ménages vivaient dans l’insécurité alimentaire. Dans le contexte actuel, ces taux devraient être sensiblement aggravés. L’économie centrafricaine est essentiellement agricole, même si une partie de ses richesses provient de l’exploitation de ressources forestières et minières. Avec le déclin du système agricole qui emploie la majorité de la population, le PIB par habitant n’a cessé de se détériorer depuis les années 90. Par ailleurs, les crises des deux dernières décennies ont profondément érodé les capacités de l’Etat à mobiliser l’appui extérieur pour mettre en œuvre une politique de développement efficace. Avec un taux de pression fiscale inférieur à 10% du PIB et une base fiscale considérablement rétrécie, les ressources intérieures ne suffisent pas non plus pour réaliser le minimum d’actions de développement, et de surcroît la dette publique constitue un véritable fardeau, vu le tarissement de l’aide extérieure. Dans un pareil contexte, la pénurie d’eau potable pousse tout naturellement la population à consommer des eaux de rivières ou de puits artisanaux avec comme conséquence, la prolifération de maladies inhérentes.. I-3. Problématique de l’eau potable. La carte ci-dessous (Figure I.2.) montre le niveau moyen des précipitations journalières chaque année en mm sur la terre de 1987 à 1999. La RCA, en particulier le sud, fait partie des pays qui reçoivent des niveaux moyens de précipitations. Néanmoins le secteur de l’eau connaît un problème crucial en RCA. Dans ce pays pourtant favorisé par une forte précipitation, le taux d’accès à l’eau potable est estimé en moyenne à 29,5% en milieu urbain et 31,5% en milieu rural, soit un taux national de 28,2% en 2006, proportions qui baissent à 20% dans le Nord-Est (Vakaga et Haute-Kotto).. 8 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(22) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Figure I.2. Niveau moyen des précipitations par jour chaque année en mm sur Terre de 1987 à 1999 (La.climatologie.free.fr/inondation/inondation1). Il existe de grandes disparités entre les régions et les agglomérations. Souvent souillée, l’eau génère des maladies hydriques et en particulier, le choléra qui connaît des épidémies récurrentes, de plus en plus difficiles à contenir. Les populations les plus défavorisées ne disposent pas d’eau potable, la tendance du secteur assainissement est difficile à apprécier faute de données. Toutefois, le recoupement des informations ces derniers temps montre une aggravation de la situation : 69% des ménages centrafricains ne disposent pas d’installations sanitaires hygiéniques acceptables. Cette carence affecte particulièrement les ménages pauvres se situant d’une part en milieu rural et d’autre part à la périphérie des villes où se développe l’habitat spontané et anarchique avec des conséquences graves sur l’état de santé et le niveau de sécurité. Le faible taux d’accès au service de l’assainissement de base génère des conséquences sur la qualité des eaux de consommation. En effet, la majorité de la population n'a en effet pas accès à une eau potable et le réseau de distribution d'eau potable ne touche environ que 20% de la population urbaine de Bangui. Il n’existe qu’une seule usine d’approvisionnement en eau potable, localisée à Bangui, néanmoins, la plupart des quartiers de la banlieue étant dépourvus d'accès à l'eau potable municipale, les populations utilisent des puits peu profonds ou encore des bornes fontaines équipant des forages de profondeur très variable (Figure I.3a). La situation dans l’arrière pays est alarmante. La très forte exode rurale associée à 9 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(23) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. l'explosion démographique que vit la République Centrafricaine contraint les populations à forer toujours plus de puits peu profonds fournissant des eaux souterraines de piètre qualité sanitaire. Les dernières crises qui secouent le pays depuis décembre 2008 ont fait beaucoup de refugiés dans la brousse sans assistance, laissant la population à son triste sort. De plus, la quasi absence de dispositif de collecte des eaux usées renforce très sensiblement la vulnérabilité de ces ouvrages peu profonds (Figure I.3b). De telles contraintes sont fréquentes dans les grandes villes africaines où environ 80% de la population est urbanisée de façon informelle. .. Figure I .3a. Points d’eau de consommation. On note. depuis ces dernières décennies une prise de conscience pour. remédier à ce besoin vital de la population. Le tableau (I.1) illustre quelques exemples de réalisation dans le domaine d’adduction en eau potable.. Sous Secteur. Taux de Couverture Fin 1980. Fin 1990. Fin 2003. fin2006. zones rurales. 1%. 18%. 29,5%. 31,5. zones Urbaines. 8%. 17%. 22%. 29,5. Tableau I.1. : Evolution de l’approvisionnement en eau potable entre les années 1980 et 2006(Source : Direction Générale de l’Hydraulique).. 10 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(24) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Figure 1. 3b. Des habitudes hygiéniques défavorables NB : la situation de l’assainissement et autres usages de l’eau n’a pas fait l’objet d’une enquête exhaustive sur l’ensemble du territoire. La vulnérabilité des points d’eau peut être due à une pollution naturelle ou une pollution domestique accentuée par un faible niveau de conscience des utilisateurs. Ces chiffres montrent que des progrès notables ont été accomplis grâce aux efforts accrus des agences extérieures de soutien, des Organisations Non gouvernementales (ONG) et des communautés. Mais ils montrent également qu’il reste beaucoup à faire. En outre, les activités du secteur ont encore beaucoup d’obstacles à surmonter, notamment : la faiblesse des infrastructures de production d’eau potable, l’insuffisance des ressources humaines et le faible financement du secteur. Notre projet est de construire un pilote de filtration horizontale permettant un traitement simple de l’eau de rivière, nécessitant peu d’énergie et de produits de traitement. Nous nous sommes orientés sur la filtration horizontale, en nous aidant de systèmes développés par la Société Eaux de Paris qui a accepté de nous conseiller et nous donner les caractéristiques des installations mises en place dans la région parisienne.. I-4. La filtration horizontale. 11 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(25) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Disposer d’une source d’eau naturelle superficielle suffisante et de qualité requise pour la consommation humaine est actuellement d’une telle rareté que cela relèverait même de l’impossible (Semega, 2006a). En effet, les ressources en eaux naturellement potables (telles que les sources, les fleuves, les rivières et les nappes phréatiques) sont quasi-inexistantes, car surexploitées ou souillées par une activité humaine pressante. Cette étude a pour objectif, de mettre au point un filtre naturel de qualité, qui retienne au maximum les agents pathogènes pour l’homme, de comprendre le devenir des agents pathogènes après passage dans le filtre horizontal. Ce dispositif de traitement des eaux de surface doit être peu onéreux, minimiser toutes interventions humaines, nécessiter très peu ou pas d’ajouts de réactifs chimiques et améliorer significativement la qualité bactériologique de l’eau, sans avoir recours à des produits chimiques. La filtration horizontale est en faveur de ce procédé, car elle copie le processus naturel de purification se produisant dans un aquifère. Lorsque l’eau de surface, non potable, traverse une série de couches de sable, elle se transforme en une eau dont la qualité bactériologique devient acceptable. La filtration lente sur sable qui apparaît donc comme une réplique des processus naturels dans le sol, permet de réaliser, suivant la dimension et la diffusion particulaire, la rétention des matières en suspension et des matières colloïdales contenues dans l’eau. Les microorganismes actifs, se fixant à la surface du sable, forment ainsi une membrane biologique (Visscher et al, 1991), siège des mécanismes d’épuration. En milieu rural, l’utilisation courante de l’eau de surface (sources, lacs, étangs) sans traitement préalable et accessoirement de l’eau souterraine (puits,..) accroît les risques de contamination et de maladies liées à l’eau. La filtration, une technique accessible à tous, peut constituer un atout dans la conquête de la qualité des eaux destinées à l’alimentation humaine. De ce fait, la filtration lente sur sable est une solution intéressante pour les petites collectivités, car exigeant peu de capitaux et de frais d’exploitation tout en étant simple à réaliser. D’après Visscher et al. (1988) et Maazouzi et al. (2007), ce procédé de traitement s’adapte bien en milieu rural, du fait d’une bonne qualité de traitement, d’un fonctionnement simple et d’une maintenance abordable.. 12 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(26) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. La filtration horizontale sur sable devrait être retenue si l’étude est positive comme le procédé de traitement de l’eau le plus approprié aux pays en voie de développement. I.4.1. Généralités sur la filtration Historique. La filtration est l'une des techniques les plus anciennes et de loin la plus appliquée dans les opérations de traitement de l'eau, qu'elle soit à usage industriel ou domestique. C'est en 1804 qu'un écossais du nom de John Gibb, a conçu et construit pour la première fois un filtre à Sable. En1829 fut construite pour la première fois une installation de filtration de l'eau destinée à la consommation de la ville de Londres sous la direction d'un nommé James Simpson. Elle a prouvé son efficacité par suite à de nombreuses épidémies qui ont ravagé certaines populations consommant de l'eau non filtrée. Suites aux découvertes de Pasteur et collaborateurs, des examens biologiques sur plusieurs échantillons ont donné des résultats confirmant l'amélioration de la qualité bactériologique de l'eau après filtration. Cette technique fut alors largement adoptée comme moyen de "traiter " l'eau avant consommation, et gagna du terrain tout en s'améliorant au fil du temps grâce aux progrès techniques. De nos jours encore, la filtration demeure une étape indispensable dans une chaîne de traitement d'eau potable, à l'exception d'eau souterraine captée en forages, ou sources, et jugée de qualité assez bonne pour se passer de la filtration. Nous ne développerons pas dans ce mémoire les techniques de filtration sur membrane, très performantes, mais de coût trop élevé pour être utilisées dans les pays en voie de développement. Nous nous limiterons à résumer les propriétés des filtres à sable. On peut distinguer deux techniques de filtration sur sable : la filtration rapide et la filtration lente. I-4.2 La filtration rapide sur sable Le but principal de cette technique est d’éliminer la turbidité. La filtration rapide sur sable, de taille voisine de 2mm, avec une vitesse moyenne de 10 m3/m2/h peut être utilisée pour des turbidités élevées supérieures à 20 NTU (Nephelometric Turbidity Units) et permet un traitement essentiellement mécanique de l’eau. Cette technique est aussi utilisée dans les pays en voie de développement.. 13 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(27) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. L’association « Action Contre la Faim (ACF) » a utilisé de tels filtres au Soudan pour traiter l’eau du Nil dont la turbidité est très changeante. Ces filtres construits dans des fûts de 200 L permettent de maintenir un niveau acceptable de turbidité avant la désinfection. Leur nettoyage est assuré par rétro-lavage.. I-4.3 La filtration lente sur sable La filtration sur sable qui est une des plus anciennes méthodes de traitements de l’eau existantes, est un procédé de choix non seulement dans les zones rurales, mais aussi dans de nombreuses villes des pays industrialisés. Elle présente par rapport aux autres méthodes, l’avantage considérable d’utiliser des matériaux disponibles dans les pays en voie de développement et d’éliminer en partie la contamination bactérienne beaucoup plus efficacement que ne le font d’autres méthodes comme la filtration rapide qui n’est satisfaisante que pour l’abattement de la turbidité. La filtration lente copie le processus naturel de purification c’est-à-dire une filtration très lente pour rejoindre l‘aquifère. Elle consiste à faire passer l’eau à travers un matériau filtrant (Mbaye, 2012), à une vitesse très inférieure à celle requise pour les filtres rapides à sable: Une vitesse de 0,2 m3/h par m2 de surface filtrante est en général satisfaisante. Cette vitesse lente permet le développement d’une grande variété d’organismes dans les premiers centimètres de sable. Ces organismes forment une membrane biologique, appelée « schmutzdecke », qui dégrade la matière organique (Huisman, 1974; Nakamoto, 1993) et permet un traitement biologique efficace contre les pollutions fécales. Elle a une grande capacité pour améliorer la qualité de l'eau dans les pays en développement, en supprimant entre 2-4 log (99 à 99,99%) de micro-organismes (Wegelin, 1987, 1996). La filtration lente sur sable permet aussi de réduire la turbidité, mais la finesse de la granulométrie du sable ne permet de traiter que des eaux peu turbides, inférieures à 20 NTU. Une turbidité de 150 à 200 NTU peut être acceptable mais sur quelques jours seulement sous peine de colmatage rapide. Le développement et l’entretien de cette membrane biologique se font dans des conditions particulières : elle doit toujours être sous l’eau et le flux doit être continu et lent. La filtration lente sur sable a été la première méthode employée par de nombreuses villes au XIXième siècle. Ces filtres peuvent aisément éliminer les micro-organismes qui causent les maladies portées par l’eau, y compris les protozoaires comme le Giardia et le Cryptosporidium, 14 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(28) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. ainsi que les bactéries et virus. La chute du taux de maladies dans les premières villes européennes ayant adopté ce système a permis de démontrer son efficacité. L'eau traverse lentement une couche de sable d'une épaisseur de 60 à 120 cm. Au passage, plusieurs processus physiques et biologiques filtrent l'eau et éliminent les contaminants. Après un certain temps, la couche de sable contient une multitude de bactéries, algues, protozoaires, rotifères, copépodes et vers aquatiques. Ces micro-organismes (dont l'action peut être moins efficace si la température de l'eau est inférieure à 10 °C) aident à la filtration en d égradant les contaminants organiques. Un sable saturé et inerte vis-à-vis des organismes contient des organismes «mûr»,il est donc préférable de le nettoyer ou de le . Ce processus peut prendre quelques semaines ou mois, selon l'eau et sa température (Gary S. al, 2002) ; -. Il est donc important de dimensionner le filtre en fonction des besoins (relation débit/surface) et de mettre en place un système de régulation de débit pour contrôler le passage de l’eau dans le filtre. Lorsque ces conditions sont remplies la membrane biologique peut se développer en 1 à 2semaines.. -. Les dispositifs de filtration sur sable ne peuvent pas traiter des eaux chlorées car le chlore a un effet néfaste sur la flore microbienne du filtre. L'eau qui doit être chlorée doit donc l'être après le processus de filtration, dans les réservoirs.. -. La filtration lente horizontale a néanmoins un débit assez faible (< 500 l/h) ce qui empêche son utilisation par une agglomération de plus de 5000 habitants.. I-4.4 Système de filtration lente développé par Eaux de Paris Un procédé de filtration lente a été développé à la Société « Eaux de Paris ». La ville de Paris est alimentée à 50% par des eaux souterraines captées dans un rayon de 150 km autour de la capitale et acheminées gravitairement par des aqueducs. Les eaux souterraines lors de la reconstitution des réserves liées à la pluviométrie, peuvent être soumises à des crues de turbidité plus ou moins importantes. Une partie des eaux connait pendant les périodes pluvieuses des épisodes de turbidité telles qu’elles ne peuvent être admises en l’état dans les. 15 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(29) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. aqueducs. Ce procédé reprend le principe de la filtration sur berge (procédé non applicable en Centrafrique en raison de berges constituées d’argile peu poreuse). C’est un traitement rustique (Chay, 2005), naturel, basé sur la filtration lente biologique, qui ne nécessite aucun réactif. Les objectifs étaient de réduire notablement la turbidité à 95 % avec pour but d’éliminer la presque totalité des microorganismes pathogènes et réduire la fraction organique à sa fraction non biodégradable préjudiciable au maintien de la qualité de l’eau dans les réseaux de distribution. Les installations qui ont été développées dans la Région parisienne ont permis de traiter des volumes de 5000 m3 par jour en utilisant des épaisseurs importantes (9 à 10 m) de matériaux filtrants. La vitesse moyenne est de 0,4 m3/h/m2. L’eau traverse en 10 h environ le massif filtrant. C’est un traitement extensif, bien adapté à des endroits disposant d’espaces suffisants. L’utilisation de digues en terre et de matériaux géo synthétiques permet d’éviter le recours à des bassins métalliques ou en béton. A un coût moindre, s’ajoute l’intérêt d’une meilleure intégration paysagère, et une meilleure protection contre les dégradations. Les géo-membranes réalisent l’étanchéité (complète en partie inférieure, partielle en partie supérieure). Des géotextiles peuvent être utilisés pour séparer les matériaux (terre végétale / matériaux filtrants de granulométrie croissante) mais ce n’est pas obligatoire. L’ensemble du système filtrant peut être recouvert de terre végétale sur laquelle de la végétation peut se développer. Eaux de Paris a accepté que nous nous inspirions de leur système et nous a conseillé d’une part pour choisir les granulométries des différents sables à utiliser et d’autre part pour évaluer les pentes du système qui conditionnent les vitesses d’écoulement de l’eau afin d’optimiser le traitement. La filtration lente à sable représente un moyen efficace de traiter l’eau pour contrôler les contaminants microbiologiques. La filtration lente à sable ne requière pas la présence constante d’un opérateur ; cette technologie est donc appropriée pour les systèmes de traitement de l’eau qui sont petits ou qui emploient des opérateurs à temps partiel. Ce procédé, si l’étude entreprise s’avère positive, devrait connaître un certain essor dans les pays en voie de développement. 16 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(30) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Chapitre II : Hydrologie générale et qualité de l’eau dans la. région de Bangui. 17 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(31) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(32) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Chapitre II : Hydrologie générale et qualité de l’eau dans la région de Bangui II-1. Introduction La ville de Bangui, capitale de la République Centrafricaine, est située sur la rive droite de l'Oubangui, principal affluent du nord du bassin du Congo. Depuis sa fondation en 1889, cette ville a toujours souffert de sérieux problèmes liés à l'alimentation en eau potable. Pour produire et fournir de l’eau de qualité acceptable à la population, il est important de connaitre la ressource. Le but du travail étant de construire un pilote de filtration horizontale à partir d’eau naturelle du fleuve Oubangui, notre étude a donc été limitée à la Région de Bangui. Ce chapitre est consacré à rassembler les informations existantes et évaluer les ressources en eaux souterraines et superficielles dans cette région de la République Centrafricaine. Nous réalisons dans une première étape, un suivi de la pluviométrie grâce à l’implantation de deux stations de collecte des eaux de pluies. Cette étude est étendue à la caractérisation des eaux souterraines à partir des puits et forages existants grâce à un suivi périodique des paramètres physico-chimiques et isotopiques des eaux prélevées. Enfin, nous terminons ce chapitre en caractérisant d’une part la nature des eaux de surfaces de l’Oubangui, qui seront utilisées dans notre pilote, et d’autre part, celle des fleuves avoisinants afin de connaître leurs caractéristiques si le pays avait l’intention de vulgariser notre système.. II-2 Etude de la pluviométrie. Les études antérieures faites sur la pluviométrie à l’échelle annuelle ou interannuelle, mensuelle et journalière ont permis de cerner leur quantité et leur régularité dans le temps et dans l’espace, ainsi que leur susceptibilité d’influencer les écoulements superficiels et souterrains. Nous avons pour notre part, suivi pendant la période de quatre années (2009- 2013) la hauteur de pluie au niveau de la ville de Bangui à partir de deux sites de prélèvement : (i) l’un sur le campus de l'Université de Bangui au Laboratoire d’hydrosciences Lavoisier et (ii), l’autre sur le domaine de la SODECA: situé dans une zone boisée sur la colline Est de Bangui. 19 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(33) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. (i) : GNIP (/Bangui-Université (N04°22’37.5’’ ; E1 8°33’44.9’’ ; 363m) (ii) : GNIP/Bangui-SODECA (N04°21’56.5’’; E18°35’14 .1’’; 386m) GNIP (Global Network of Isotopes in Précipitations) : Nom donné par l’Agence de l’Energie Atomique pour le suivi des isotopes de l’eau dans les précipitations et GNIR pour les rivières. Les caractéristiques pluviométriques sont décrites ci dessous . II-2.1. Précipitations annuelles Les mesures de précipitations annuelles à partir des eaux recueillies dans les 2 stations de collecte au niveau de la ville de Bangui nous permettent de comparer les quantités d’eau pendant les saisons pluvieuses et sèches et de vérifier la présence d’un cycle annuel des pluies dans la région de Bangui. Les précipitations totales moyennes recueillies durant 4 années sont comprises entre 865 et 1605 mm par année à Bangui pour les deux sites de collecte mentionnés ci-avant (tableau II.1). La moyenne interannuelle enregistrée est de 1258, 9 mm par an. Par ailleurs, en comparant les stations de collecte Bangui-Université et de BanguiSODECA de 2010 à 2013 (Figure II.1.), on remarque que les quantités d’eaux suivent quasiment la même évolution, avec une différence d’environ 79 mm de hauteur de pluies entre la station de Bangui-Université qui totalise en moyenne 1299 mm/an et 1220 pour Bangui SODECA. La faible variabilité des pluies entre les deux stations peut résulter de leur localisation, la seconde étant en effet entourée de petits bosquets. On constate aussi que l’année 2012 apparaît comme une année de faible pluviosité (984,15mm en moyenne pour les deux sites) par rapport aux autres années étudiées.. Pluies annuelles (mm). 2010. 2011. 2012. 2013. Moyenne (mm). Université. 1036. 1605,3. 1103,4. 1449,9. 1299. SODECA. 1406,7. 1310,9. 864,9. 1294,4. 1220. Tableau II.1: Précipitations totales annuelles. 20 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(34) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. Figure II.1 : Evolution des précipitations à Bangui pour la période 2010 – 2013. II.2.2 Précipitations mensuelles. On a remarqué qu’à l’échelle du mois des différences notables peuvent être enregistrées entre ces 2 sites. Ainsi, un maximum mensuel de 410 mm a été mesuré à la station de Sodeca en juillet 2011, alors qu’à l’Université à la même période, 73,2 mm seulement ont été recueillis.. Figure II.2 : Pluviométrie mensuelle( 2010 – 2013).. 21 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.

(35) Thèse de Bienvenu Armand Eric Foto, Lille 1, 2015. D’une manière générale cependant, (Figure. II.2), les courbes de tendances montrent clairement une valeur moyenne périodique d’environ 200mm de pluie à Bangui au niveau de ces deux stations de collecte. Nous envisageons ensuite d’étudier comparativement les totaux mensuels afin d’apprécier les hauteurs moyenne de pluie recueillie dans la région de Bangui pendant une période donnée. La Figure II.3 ci-après nous donne la hauteur totale moyennée des pluies par mois sur les 4 années de l’étude.. Figure II.3: Retombées des pluies totales durant 4 années. Les moyennes mensuelles sur 4 années représentées sur la Figure II.3 permettent de subdiviser l’année en trois périodes distinctes en fonction des hauteurs des pluies dans la région de Bangui: -. La saison dite sèche, qui commence à partir du mois de novembre jusqu’à mars avec une pluviosité mensuelle moyenne inférieure à 700 mm ;. -. La saison intermédiaire, allant d’avril à juin avec une pluviosité moyenne comprise entre 800 et 900 mm. -. La saison humide de juillet à octobre avec une forte pluviosité supérieure à 1200 mm et atteignant parfois 1600 mm de pluie.. II-3 Potentiel hydrogéologique de la région de Bangui D'un point de vue hydrologique la région de Bangui, en limite nord de la zone climatique guinéenne, présente une végétation de type savane tropicale avec une 22 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.