N° d’ordre : …….
Université d’Abomey-Calavi
Ecole Doctorale Sciences Pour l’Ingenieur
Thèse de Doctorat Unique Présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université d’Abomey-Calavi
Spécialité : Génie Civil
MISE AU POINT D’UN SYSTEME D’EPURATION DES EAUX USEES A BASE DES LENTILLES D’EAU :
ANALYSE DES PROCESSUS ET PERFORMANCES
Présentée par
HOUNKPE Sèna Peace
RAPPORTEURS
Professeur Titulaire Christophe DAGOT Université de Limoges Maître de Conférences Daouda MAMA Université d’Abomey-Calavi
Soutenue publiquement le 12 Février 2014 Devant le jury composé de :
JURY
Président
Professeur Titulaire Gérard DEGAN Université d’Abomey-Calavi
Membres
Professeur Titulaire Moctar L. BAWA Université de Lomé Examinateur Maître de Conférences Victor GBAGUIDI Université d’Abomey-Calavi Examinateur Maître de Conférences Edmond C. ADJOVI Université d’Abomey-Calavi Directeur
DEDICACES
A Dieu tout puissant
A mes enfants Ruth-Kelly-Sarah et Stina
REMERCIEMENTS
Je remercie Dieu tout puissant qui m’a accordé sa divine grâce pour poursuivre ces travaux de recherche.
Au terme de ce travail, j'aimerais remercier le projet NPT / BEN 151 pour le soutien accordé à cette thèse.
J’exprime toute ma gratitude au Maître de Conférence Edmond Codjo ADJOVI pour m’avoir accueillie dans son équipe de recherche, avoir accepté de diriger cette thèse, et pour toute la confiance qu’il a placée en ma personne. Cette thèse s’est déroulée dans de très bonnes conditions, grâce à son engagement.
Une pensée spéciale à l’endroit du Maître de Conférence Martin Pépin AÏNA pour son écoute et sa disponibilité permanentes tout au long de la réalisation de ce travail. Je lui adresse mes remerciements chaleureux
J’exprime ma reconnaissance au Maître de Conférence Daouda MAMA de la Faculté des Sciences et Techniques de l’Université d’Abomey Calavi et au Professeur Christophe DAGOT de l’Université de Limoges qui ont accepté de rapporter cette thèse et d’y apporter leurs remarques. Mes remerciements vont aussi au Professeur Titulaire Gérard DEGAN de l’Université d’Abomey-Calavi, au Professeur Titulaire Moctar L. BAWA de l’Université de Lomé et au Maître de Conférence Victor GBAGUIDI qui ont accepté de juger ce travail et de contribuer à son amélioration.
Je remercie les responsables de la Société Industrielle Béninoise d’Equipement et d’Assainissement Urbain (SIBEAU) pour leur contribution lors de mes enquêtes et pour m’avoir donnée l’autorisation de travailler sur leur site.
J'exprime toute ma reconnaissance au Professeur Esi AWUAH, Recteur de l’« University of Energy and Natural Resources, Ghana » pour son soutien et ses conseils, surtout au début de cette thèse.
Je remercie toute l’équipe du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau du département de Génie Civil de l’EPAC, notamment les collaboratrices scientifiques Madame Flora AGBOMENOU et Mademoiselle Justine DEGUENON pour leurs précieux appuis. Je n’oublierai pas les étudiants et les stagiaires qui ont partagé les moments de terrain et de laboratoires avec moi.
Ma reconnaissance va à mon père, ma mère, mes frères et sœurs pour tout leur sacrifice et soutien constants.
J’exprime ma profonde gratitude à mon mari G. Enoc Edgard WENDEOU pour son aide sans limite, son accompagnement, ses encouragements, ses prières, ses bonnes pensées, ses nombreuses manifestations de soutien et d’amour tout au long de ce parcours.
Je tiens à dire un grand merci à mes enfants Ruth-Kelly-Sarah et Stina, qui ont souffert de mes absences et à qui j’ai dédié ces travaux.
Je tiens à remercier tous mes collaborateurs du Bureau d’Etudes HORSE Sarl pour leur appui.
De nombreux amis, qu'il ne serait pas possible de citer ici, m'ont soutenue durant ces années de thèse, m'aidant ainsi à tenir le cap. Que le seigneur les bénisse et les comble de joie et de bonheur.
Puisse le Seigneur tout puissant se souvenir de ceux que j’ai oubliés et les récompenser pour leurs diverses contributions à ce travail.
RESUME
La problématique de l'assainissement du cadre de vie des populations en Afrique subsaharienne est un sujet qui reste entier, malgré les nombreuses initiatives entreprises jusqu'à ce jour.
Un état des lieux de l’assainissement dans les centres urbains de l’Afrique occidentale, notamment à Cotonou, a révélé une prédominance des systèmes d’assainissement autonome, un dysfonctionnement et une faible performance des rares stations d’épuration des eaux usées existantes et une réutilisation des effluents en agriculture en dépit de leur mauvaise qualité. Cultiver des lentilles d’eau dans des bassins de lagunage tout en épurant les eaux usées représente donc une belle perspective de protection de l’environnement et de recyclage sans risque des ressources pour nos pays. Ces petites plantes, très riches en protéine et avec leur grande productivité et leur simplicité représentent une option très attractive. Toutefois, le système demeure très peu implémenté à cause du manque de données techniques adéquates pour soutenir les prises de décisions.
C’est pour pallier à cet état de chose qu’une dans une station expérimentale a été conçue et mise en place lors de ces travaux pour permettre de faire l’analyse comparative des performances des systèmes à algues (SAA) et des systèmes à lentilles d’eau (SLE) dans les pays tropicaux comme le Bénin. La station traitait les eaux usées provenant des résidences universitaires d’Abomey-Calavi. Les lentilles d’eau utilisées étaient Lemna minor et Spirodela polyrhiza. Leur sélection était basée sur leur importance économique et leur disponibilité. La caractérisation des eaux usées et boues de vidange du Bénin avait montré différentes gammes de charges organiques et une forte variation de la conductivité électrique. Ainsi, les présentes études concernent essentiellement l’analyse de l’effet de la charge organique et de la salinité sur la performance épuratoire, la survie et la productivité de ces plantes. Une étude comparative était menée pour voir si ce SLE pourrait remplacer le SAA.
Les résultats montraient que la conductivité électrique de l’eau est un facteur qui gouvernait la productivité de la plante et sa capacité à épurer les eaux. Aussi la performance épuratoire des lentilles d’eau et leur survie dépendaient de la charge organique. Un intervalle de charge organique et un intervalle de conductivité électrique favorables pour la productivité des lentilles d’eau étaient établis. Comparée aux bassins d’algues, dans des conditions favorables les SLE sont plus efficaces dans l’élimination des charges organiques et des éléments nutritifs mais moins efficaces dans la réduction des coliformes fécaux. Leur effluents liquides, presque neutres, répondaient aux normes de réutilisation. Toutefois il a été suggéré une combinaison judicieuse des bassins de stabilisation et des bassins à lentilles d’eau pour une meilleure qualité de l’effluent. Aussi des suggestions ont-elles été faites pour ce qui concerne sa conception et son exploitation.
ABSTRACT
Urban sanitation remains a big challenge in sub-Saharan Africa despite numerous projects undertaken so far.
Currently, sewage disposal in Sub-Saharan Africa urban areas is characterised primarily by on-site sanitation systems, the dysfunction of the few existing treatment plants and the poor quality of their effluents which are widely reused in urban agriculture in spite that.
Simultaneously producing duckweeds and treating wastewater is a sustainable solution to contribute both to environment protection, incentive and safe nutrients recovery from sewage for developing countries. These small plants, with high protein content, high growth and easy to handle, are an attractive option. However there is no full scale application due to the lack of technical supports for decision making. An understanding of the mechanism involved could be used to improve on the technology and maximize the benefits through effective operation and maintenance practices.
For this purpose, a comparative performances analysis of duckweed based sytem (DBS) and algae based systems (ABS) in a tropical developing country like Benin was undertaken through this PhD research in a pilot plant designed and constructed during these works to treat sewage from Abomey-Calavi University halls. The duckweeds used were Lemna minor and Spirodela polyrhiza. The selection of the species was based on economic importance and availability. Benin wastewater characteristics showed large ranges of organic load and conductivities. Then, this thesis deled mainly with the assessment of organic loading rate effect and water conductivity on efficiency and productivity of duckweeds ponds, receiving pre-treated wastewater. Comparative studies were carried out to determine if DBS could replace completely ABS.
Results showed that water conductivity, biomass production and treatment efficiency were correlated. Also, duckweed survival and pollutant removal efficiency were organic loading rate dependent. Optimum conductivity and organic loading rate ranges for plants productivity were established. Compared to ABS, in favourable conditions, DBS had higher organic loads and nutrients removal rates but DBS had lower performance in faecal coliforms reduction. The neutral liquid effluents from DBS met the reuse guidelines. But it is suggested to have a fair hybrid system combining waste stabilisation ponds and duckweed ponds in order to achieve better effluent quality. Also, design and operation criteria had been suggested.
LISTE DES ABREVIATIONS
Institutions et Organisations
AGETIP Agence d’Exécution des Travaux d’Intérêt Public AGETUR Agence d’Exécution des Travaux Urbains
AFNOR Association Française de NORmalisation
ASECNA Agence pour la Sécurité de la Navigation Aérienne en Afrique et à Madagascar
CEBELAE Centre Béninois des Langues Etrangères
COUS AC Centre des Œuvres Universitaires et Social d’Abomey Calavi CROU Centre de Recherche des Œuvres Universitaires
DHAB Direction de l’Hygiène et de l’Assainissement de Base DUA Direction de l’Urbanisme et de l’Assainissement
EAA (ex CREPA) Eau et Assainissement pour l’Afrique (ex Centre Régional pour l'Eau Potable pour Afrique)
EIER Ecole Inter-Etats d’Ingénieurs de l’Equipement Rural ENEAM Ecole Nationale d’Economie Appliquée et de Management ENS Ecole Normale Supérieure
ENSET Ecole Nationale Supérieure de l’Enseignement Technique ENSTA Ecole Nationale des Sciences et Techniques Agronomiques ESTBR Ecole des Sciences et Technique du Bâtiment et de la Route FSS Faculté des Sciences de Santé
EPAC Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi FAO Food and Agriculture Organization
GIZ Deutshe Gesellschaft für Internionale Zusammenarbeit)
(2iE) Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement IMSP Institut de Mathématiques et de Sciences Physiques
INJEPS Institut National de la Jeunesse, de l’Education Physique et Sportive INMeS Institut National Médico-Sanitaire
IRSP Institut Régional de Santé Publique IUT Institut Universitaire de Technologie
LCQEA Laboratoire de Contrôle de Qualité des Eaux et Aliments LSTE : Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau
MEHU Ministère de l’Environnement de l’Habitat et de l’Urbanisme MEE Ministère de l’Eau et de l’Energie
MERPMEDER Ministre de l’Energie, des Recherches Pétrolières et Minières, de l’Eau et du Développement des Energies Renouvelables
MTPT Ministre des Travaux Publics et des Transports
MEHU Ministre de l’Environnement, de l’Habitat et de l’Urbanisme MSP Ministère de la Santé Publique
OMS (WHO) Organisation Mondiale de la Santé (World Health Organization)
SIBEAU ociété Industrielle Béninoise d’Equipement et d’Assainissement Urbain SONEB Société Nationale des Eaux du Bénin
UAC Université d’Abomey-Calavi
UNESCO Organisation des Nations Unies pour l’éducation, la science et la culture
Paramètres
CF Coliformes fécaux
COD Carbone Organique Dissous
DBO5 Demande Biochimique en Oxygène après 5 jours
DCO Demande Chimique en Oxygène
EH Potentiel redox
λV Charge volumique
Χ Conductivité électrique
MES Matières En Suspension
NTK Azote Total Kjeldhal
OD Oxygène dissous
θ Temps de séjour hydraulique
pH Potentiel d’hydrogène
Pt Phosphore total
Q Débit
RH Pouvoir oxydant ou réducteur
T Température
TDS Total des Solides Dissous
Turb Turbidité
Unités
g Grammes
ha Hectares
Kg Kilogrammes
m Mètres
mg/L Milligrammes par litre
n nombre d’échantillons
PNB Produit National Brut
S Second
cm centimètre
m mètre
t Time
μS Micro-Siemens
μE Micro-Einsteins
Autres
A Section
ACP Analyse en Composantes Principales
BS Bassin de stabilisation
Cov (X, Y) covariance entre les variables x et y
CP Composante principale
CTPEA Centre Technologique Pratique pour Eau potable et Assainissement Ctr (Si,CPk) Contribution relative d'un individu i à la formation de la composante
principale k
CUAC Campus Universitaire d’Abomey-Calavi CV Coefficient de variabilité
DCAM Développement Communautaire et Assainissement du Milieu
FS Fosse Septique
GIRE Gestion Intégrée des Ressources en Eau
i.e. par exemple
m Masse
OMD Objectifs du Millénaire pour le Développement ONG Organisation Non Gouvernementale
PVC Polyvinyle de chlorure
PED Pays en Développement
PME Petite et Moyenne Entreprise
Qlt (Si,CPk ) qualité de la représentation par la composante principale k s(X) écart type de la variable X
STEP STation d’Epuration
TCR Taux de Croissance Relatif
V Volume
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1. 1: Composition typique des eaux usées domestiques non traitées ... 22
Tableau 1. 2 : Composition typique des boues de vidange ... 23
Tableau 2. 1: Comparaison des coûts d’installation et de fonctionnement et des besoins en espace de quelques technologies de traitement des eaux usées ... 28
Tableau 2. 2 : Taux de couverture en installation d’assainissement améliorée ... 33
Tableau 3. 1: Composition en nutriments des lentilles d’eau... 50
Tableau 3. 2: Caractéristique des milieux où se développent les lentilles... 52
Tableau 5. 1: Valeur de la constante K en fonction de l’importance de la minéralisation ... 92
Tableau 6. 1:Classification des maisons par niveau de revenu des ménages ... 104
Tableau 6. 2: Classification des maisons par nombre d’occupants ... 105
Tableau 6. 3: Fréquence de vidange des puisards, latrines et fosses septiques... 108
Tableau 6. 4: Mode de vidange des puisards ou fosses(latrines ou fosses septiques) ... 109
Tableau 6. 5: Type d’installations sanitaires dans les maisons ... 110
Tableau 6. 6: Relation entre le type de toilette, la taille de la maison et le niveau de revenu ... 111
Tableau 6. 7: Relation entre le type de toilette et l’accès à l’eau potable ... 112
Tableau 6. 8: Relation entre le type de matériaux de nettoyage anal et le mode de vidange ... 113
Tableau 6. 9: Estimation du chiffre d’affaire moyen et bénéfice des camions vidangeurs .... 116
Tableau 6. 10: Qualité des eaux affluentes et effluentes de l’usine de traitement de EKPE .. 120
Tableau 7. 1: Caractéristiques des eaux usées domestiques et des boues de vidange de Cotonou et du Campus d’Abomey-Calavi (Bénin) ... 123
Tableau 7. 2: Caractéristiques moyennes des affluents pris en compte pour le dimensionnement de la station expérimentale du Campus ... 125
Tableau 7. 3: Dimensions et caractéristiques des bassins de la station expérimentale d’Abomey-Calavi... 125
Tableau 7. 4: Qualité des affluents du système pour les différentes phases expérimentales 129 Tableau 7. 5: Qualité de l’effluent à la sortie des 2 premiers bassins (anaérobie et facultatif) pour les différentes phases expérimentales ... 130
Tableau 7. 6: Effluent des systèmes à lentilles d’eau et à algues lors de la phase 1 ... 132
Tableau 7. 7: Effluent des systèmes à lentilles d’eau et à algues lors de la phase 2 ... 134
Tableau 7. 8: Effluent des systèmes à lentilles d’eau et à algues lors de la phase 3 ... 135
Tableau 8. 1: Caractéristiques environnementales de l’eau dans les bassins ... 139
Tableau 8. 2: Concentration initiale des polluants de l’affluent après le traitement anaérobie ... 144
Tableau 8. 3: Performance éliminatoire de certains polluants des eaux usées à différentes conductivités électriques par les lentilles ... 145
Tableau 8. 4: Matrices de corrélation inter-paramètres ... 147
Tableau 8. 5: Corrélations entre les variables et les axes principaux ... 147
Tableau 9. 1: Caractéristique des eaux usées brutes affluentes des systèmes ... 151
Tableau 9. 2: Conditions environnementales dans les différents bassins selon les heures de la
journée et distances par rapport à l’entrée... 153
Tableau 9. 3: Matrices de corrélation inter-paramètres ... 158
Tableau 9. 4: Corrélations entre les variables et les axes principaux ... 159
Tableau 9. 5: Qualité des affluents et des effluents des systèmes : valeurs moyennes ... 161
Tableau 9. 6: Concentration des affluents et effluents en phosphate et azote ... 163
LISTE DES FIGURES
Figure 2. 1: Schéma de principe d’un système à boue activée traditionnel ... 27
Figure 2. 2 : Schéma de principe d’un système d’oxyterne ... 27
Figure 2. 3: Schéma de principe d’un système de lit bactérien ... 28
Figure 3. 1: Relation symbiotique entre les algues et les bactéries hétérotopiques des bassins de stabilisation ... 42
Figure 3. 2: Mécanisme conceptuel de la mort des bactéries fécales dans les bassins de stabilisation ... 43
Figure 3. 3: Les lentilles d’eau ... 47
Figure 3. 4: Lentilles d’eau couvrant un bassin ... 48
Figure 3. 5: Représentation schématique de quelques systèmes d’épuration des eaux usées par macrophytes... 56
Figure 4. 1: Carte de la zone d’étude ... 66
Figure 4. 2: Situation géographique du campus universitaire d’Abomey-Calavi (adapté de [166, 175]) ... 71
Figure 4. 3: Station d’épuration des eaux usées de EKPE ... 75
Figure 4. 4.: Schéma de principe de la station pilote ... 80
Figure 5. 1: Dispositif expérimental pour l’étude de la croissance des lentilles d’eau sous l’effet de la salinité ... 87
Figure 5. 2: Station expérimentale ... 88
Figure 5. 3: Points d’échantillonnage sur la station pilote du Campus d’Abomey-Calavi ... 90
Figure 6. 1 : Structure typique des maisons avec WC ... 105
Figure 6. 2 : Structure typique des maisons avec latrines ... 105
Figure 6. 3: Usage fait des eaux des puits ... 106
Figure 6. 4: Gestion des eaux grises ... 107
Figure 6. 5: Rejet des eaux grises dans la rue ou dans les caniveaux d’eau pluviales ... 107
Figure 6. 6 : Puisard en construction ... 108
Figure 6. 7 : Situation actuelle des puisards non jamais vidés ... 108
Figure 6. 8: Latrines typiques à Cotonou et matériaux de nettoyage anal ... 110
Figure 6. 9 : Défécation dans la nature ... 111
Figure 6. 10 : Latrine de lagune ... 111
Figure 6. 11: Quantités moyennes journalières d’eaux usées ou boues de vidange reçues à la station chaque mois ... 118
Figure 6. 14 : Du dernier bassin vers la mer ... 118
Figure 6. 13 : Bassin anaérobie ... 118
Figure 6. 12: Camion déchargeant dans le déssableur ... 118
Figure 7. 1: Plan de la station expérimentale d’Abomey-Calavi ... 128
Figure 7. 2: Vue d’ensemble de la station expérimentale d’Abomey-Calavi ... 129
Figure 7. 3: Taux d’abattement de la DCO, DBO5, TDS et Coliformes fécaux ... 131
Figure 7. 4: Taux d’abattement global du système à la fin de la Phase 1(Affluent du système : eaux usées faiblement chargée) ... 132
Figure 7. 5: Taux d’abattement global du système à la fin de la Phase 2 (Affluent du
système : boue de vidange) ... 133
Figure 7. 6: Taux d’abattement global du système à la fin de la Phase 3 (Affluent du système : eaux usées fortement chargées) ... 134
Figure 8. 1: Variation du pH dans les mini-bassins à lentilles d’eau à différentes conductivités électriques pendant la période expérimentale. ... 140
Figure 8. 2: Evolution du TDS dans les mini-bassins lors de la période expérimentale ... 140
Figure 8. 3: Evolution de la conductivité électrique dans les mini-bassins... 141
Figure 8. 4 : Les mini-bassins à la fin de l’expérience ... 142
Figure 8. 5: Taux de croissance relatif à la masse totale humide des lentilles à différentes conductivités électriques ... 143
Figure 8. 6: Taux de croissance relatif au nombre de frondes des lentilles à différentes conductivités électriques ... 144
Figure 8. 7 : Projection des variables dans l’espace des axes F1et F2 ... 149
Figure 9. 1: Box plots de la variation temporelle des paramètres environnementaux selon le type de bassins ... 154
Figure 9. 2: Evolution des paramètres environnementaux dans les bassins à lentilles d’eau et à algues ... 157
Figure 9. 3 : Projection des variables dans l’espace des axes F1et F2 ... 159
Figure 9. 4: Performance épuratoire des bassins de la station expérimentale ... 162
TABLE DES MATIERES
Préambule ... 1
Introduction ... 3
Première partie : Etude bibliographique ... 8
CHAPITRE 1 : DEFINITIONS ET COMPREHENSIONS
... 10
1.1. Concepts ... 10
1.1.1. Eaux usées ... 10
1.1.2. Assainissement ... 10
1.1.3. Installation d’assainissement améliorée ... 10
1.1.4. Épuration des eaux usées et stations d’épuration ... 11
1.1.5. Boues de vidange ... 11
1.1.6. Boues traitées et effluent ... 11
1.1.7. Algues ... 11
1.1.8. Macrophytes ... 11
1.2. Differents types d’eaux usees ... 12
1.2.1. Eaux usées domestiques ... 12
1.2.2. Eaux usées industrielles ... 13
1.2.3. Eaux pluviales ... 14
1.3. Contaminants et caracterisques majeurs des eaux usees ... 14
1.3.1. Matières en suspension (MES) ... 14
1.3.2. Matières organiques ... 15
1.3.3. Pathogènes ... 16
1.3.4. Eléments nutritifs ... 17
1.3.5. Produits toxiques ou dangereux ... 18
1.3.6. Produits inorganiques dissouts ... 19
1.3.7. Caractéristiques environnementales ... 19
1.4. Caracteristiques typiques des eaux usees domestiques et des boues de vidange ... 22
1.4.1. Caractéristiques typiques des eaux usées domestiques ... 22
1.4.2. Caractéristiques typiques des boues de vidange ... 23
CHAPITRE 2 : GESTION DES EAUX USEES
... 24
2.1. Systemes d’assainissement ... 24
2.1.1. Systèmes collectifs d’assainissement ... 24
2.1.2. Systèmes autonomes d’assainissement ... 24
2.1.3. Systèmes intermédiaires d’assainissement ... 24
2.2. Besoin de traitement des eaux usees ... 24
2.3. Technologies d’epuration des eaux usees ... 26
2.3.1. Systèmes conventionnels ... 26
2.3.2. Systèmes non-conventionnels : biotechnologie ... 29
2.4. Choix des biotechnologies ... 30
2.5. Assainissement des eaux usees dans les villes de l’Afrique de l’Ouest ... 31
2.6. Assainissement des eaux usees dans les villes du benin ... 32
2.6.1. Historique ... 32
2.6.2. Aspect institutionnel de l’assainissement au Bénin ... 34
2.6.3. Cadre juridique de l’assainissement au Bénin ... 37
CHAPITRE 3 : PRINCIPE ET FONCTIONNEMENT DU LAGUNAGE
... 39
3.1. Bassins de stabilisations ... 39
3.1.1. Différents types de bassins ... 39
3.1.2. Elimination de la charge organique dans les bassins de stabilisation ... 41
3.1.3. Elimination des germes pathogènes dans les bassins de stabilisation ... 42
3.1.4. Elimination des nutriments dans les bassins de stabilisation ... 44
3.2. Lentilles d’eau ... 47
3.2.1. Morphologie, anatomie et reproduction ... 47
3.2.2. Lentilles d’eau et réutilisation ... 50
3.2.3. Facteurs affectant la croissance des lentilles d’eau ... 51
3.3. Bassins a macrophytes pour l’epuration des eaux usees : bassins a lentilles d’eau . 55 3.3.1. Elimination et recyclage des éléments nutritifs dans les bassins à lentilles d’eau 56 3.3.2. Réduction de la charge organique et des germes pathogènes ... 60
3.3.3. Bassins à macrophytes et risques de prolifération des moustiques ... 61
3.3.4. Le lagunage à macrophytes dans le monde et en Afrique ... 62
Deuxième partie : Matériels et Méthodes ... 64
CHAPITRE 4 : OUTILS D’ANALYSE
... 66
4.1. Description des zones d’etudes ... 66
4.1.1. Ville de Cotonou ... 66
4.1.2. Campus d’Abomey-Calavi ... 70
4.1.3. Station d’épuration des eaux usées de Sèmè-Kpodji ... 75
4.1.4. Laboratoires d’études ... 75
4.2. Methodologie pour les enquetes sur le terrain ... 76
4.2.1. Collecte des données au niveau des ménages ... 76
4.2.2. Collecte des données au niveau de la station de Ekpè et des autorités locales 79 4.3. Methodologie pour la conception et la mise en place de la station pilote de traitement des eaux usees du campus d’abomey-calavi ... 80
4.3.1. Description du système et hypothèses de dimensionnement ... 80
4.3.2. Dimensionnement des bassins ... 81
4.3.3. Dimensionnement du réseau de collecte ... 83
4.3.4. Mise en place de la station ... 83
CHAPITRE 5 : MATERIELS ET METHODES EXPERIMENTALES
... 85
5.1. Echantillonnage, dispositifs, et methodes experimentaux ... 85
5.1.1. caractérisation des eaux usées et des boues de vidange ... 85
5.1.2. Etude de la performance de la station d’épuration des eaux usées d’EKPE ... 86
5.1.3. Etude de l’effet de la salinité sur la performance épuratoire des lentilles... 86
5.1.4. Station expérimentale d’épuration ... 88
5.1.5. Conditions de prélèvement et de transport ... 90
5.2. Technique de mesure des parametres de qualite ... 91
5.2.1. Technique de mesure de la croissance des plantes ... 91
5.2.2. Technique de mesure du débit des affluents de la station pilote ... 91
5.2.3. Paramètres environnementaux : température, pH, conductivité électrique, salinité, luminosité, oxygène dissout, potentiel de redox ... 91
5.2.4. Matières en suspension (MES) ... 93
5.2.5. Demande chimique en oxygène (DCO) ... 93
5.2.6. Demande biochimique en oxygène (DBO) ... 94
5.2.7. Azote ... 94
5.2.8. Phosphore ... 95
5.2.9. Métaux ... 95
5.2.10. Germes pathogènes ... 95
5.2.11. Technique de mesure du taux d’abattement des paramètres ... 95
5.3. Traitement et analyse des donnees ... 96
5.3.1. Paramètres statistiques ... 96
5.3.2. Boxplot ... 97
5.3.3. Analyse en composantes principales ... 97
Troisième partie : Résultats et Discussions ... 101
CHAPITRE 6 : ETAT DES LIEUX SUR L’ASSAINISSEMENT DES CENTRES URBAINS DU BENIN
... 104
6.1. Introduction ... 104
6.2. Caracteres sociaux des enquetes ... 104
6.3. Sources d’eau pour les usages domestiques ... 105
6.4. Gestion des eaux usees au niveau des menages ... 107
6.1.1. Eaux grises ... 107
6.1.2. Eaux vannes et excréta ... 109
6.5. Perception de la population sur la gestion des eaux usees au niveau de la ville ... 114
6.6. Gestion des eaux usees et boues de vidange au niveau de la station de traitement et de la ville ... 115
1.6.1. Organisation de la collecte ... 115
1.6.2. Quantité d’affluents reçus à la station ... 117
1.6.3. Performance de la station ... 118
6.7. Conclusion ... 120
CHAPITRE 7 : CARACTERISATION DES BOUES DE VIDANGES ET EAUX USEES ET PROPOSITION D’UNE FILIERE D’EPURATION
... 122
7.1. Introduction ... 122
7.2. Caracteristiques des boues de vidange et eaux usees ... 122
7.3. Dimensionnement et construction de la station expérimentale d’epuration des eaux usees du campus d’abomey-calavi ... 125
7.4. Charge des eaux et survie des lentilles dans les bassins à macrophytes ... 126
7.5. Conclusion ... 135
CHAPITRE 8 : ETUDE DE LA PERFORMANCE EPURATOIRE ET DE LA CROISSANCE DES LENTILLES D’EAU DANS LES EAUX USEES DOMESTIQUES SOUS DIFFERENTES TENEURS EN SEL DISSOUS
... 137
8.1. Introduction ... 137
8.2. Conditions environnementales ... 137
8.3. Observation visuelle ... 141
8.4. Salinite et croissance des plantes ... 142
8.5. Salinite, croissance des plantes et performance epuratoire : application acp ... 144
8.6. Conclusion ... 149
CHAPITRE 9 : IDENTIFICATION ET COMPARAISON DES PARAMETRES DE PERFORMANCE DES BASSINS DE STABILISATIONS ET DES BASSINS A LENTILLES D’EAU
... 151
9.1. Introduction ... 151
9.2. Caracteristiques des affluents d’eaux usees ... 151
9.3. Conditions environnementales dans les bassins de stabilisation et les bassins a lentilles d’eau (Temperature, pH, TDS, Condutivite et EH) ... 152
9.4. Elimination de la charge organique des bassins de stabilisation et des bassins a lentilles d’eau ... 160
9.5. Elimination des elements nutritifs des bassins de stabilisation et des bassins a lentilles d’eau ... 162
9.6. Elimination des germes pathogenes des bassins de stabilisation et des bassins a
lentilles d’eau ... 164
9.7. Conclusion ... 164
CONCLUSION GENERALE, SUGGESTIONS ET PERSPECTIVES
... 166
REFERENCES ... 172
ANNEXE : Note de calcul des bassins ... 181
PREAMBULE
La présente thèse s’inscrit dans le cadre de la mise en œuvre du volet « Formation des Formateurs » du projet NPT / BEN 151 « Appui au développement des filières hydrauliques à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) ». En effet, l’Université d’Abomey-Calavi (UAC), en partenariat avec le Royaume des Pays-Bas, a initié le Programme de Formation en Eau (PROfEAU) pour remédier aux problèmes de manque de ressources humaines compétentes dans le domaine de l’Eau et de l’Assainissement et pour promouvoir la gestion intégrée des ressources en eau disponibles. Ce programme s’inscrit dans une logique de gestion rationnelle, efficiente et durable des ressources en eau promue par la politique nationale de l’eau au Bénin. Pour la mise en place de ce programme, le projet NPT / BEN 151
« Appui au développement des filières hydrauliques à l’EPAC » a mis en place la filière
« Sciences et Techniques de l’Eau » au département de Génie Civil de l’EPAC et une stratégie de formation des formateurs pour une meilleure adéquation entre les programmes exécutés et les besoins du monde professionnel, en définissant les profils des métiers de compétences. Cette thèse s’intéresse à la gestion des eaux usées et propose un système intégré de gestion des eaux usées domestiques à base de lentilles d’eau.
La gestion des eaux usées rencontre de nombreuses difficultés, tant du point de vue technique, économique, que méthodologique, organisationnel et sociologique dans les pays en développement (PED). La recherche bibliographique a permis de répertorier les nombreuses difficultés des stations d’épurations construites dans les PED. Ces difficultés sont liées :
au choix de la technologie souvent effectué sans tenir compte :
des conditions pratiques de maintenance et d’entretien;
des réalités socio-économiques ;
et des conditions environnementales;
à l’absence :
de schéma directeur d’assainissement dans les grandes villes telles que Cotonou, Porto-Novo et Parakou ;
de bonne planification de l’investissement ;
et d’un système de pérennisation des systèmes mis en place;
aux conditions d’exploitation, qui sont rarement adaptées à nos réalités dans les PED (coupures intempestives de courant, besoins de personnels qualifiés pour l’exploitation) ;
aux modes de financement non adaptés : le recouvrement des coûts n’étant pas assuré. De plus, les collectivités locales des PED sont très dépendantes du pouvoir
central pour la maintenance, l’entretien ou l’extension de stations d’épuration alors que les eaux usées regorgent de ressources valorisables.
Cet état de choses a conduit à la surcharge ou au mauvais fonctionnement des stations d’épuration des eaux usées dans de nombreuses villes des PED ces dernières années. A tout ceci s’ajoute le manque de connaissance des paramètres spécifiques aux eaux usées des PED et des conditions climatiques très variées, différentes de celles des pays développés.
Devant l’ampleur des problèmes posés, des solutions urgentes ont été mises en place dans les PED pour la construction des stations d’épuration d’eaux usées. Malheureusement ces solutions ont connu des échecs récurrents à cause de la non maîtrise des indicateurs de performance des différentes stations.
Le Bénin, soucieux de la pérennité et de l’efficience des projets de gestion des eaux usées dans ses villes, a orienté ses actions vers l’acquisition de données de terrain fondamentales pour l’adaptation des systèmes de collecte et d’épuration.
Dans ce contexte, le présent travail de recherche trouve tout son intérêt et répond à un véritable besoin. Il permet de donner des informations techniques sur l’état de l’assainissement (des eaux usées) dans les grandes villes des pays en développement et de mettre en place un système adéquat de gestion intégrée des eaux usées tout en étudiant les limites techniques de son utilisation dans les conditions locales.
Une Station expérimentale d’épuration des eaux usées a été mise en place au Centre Technologique Pratique pour l’Eau Potable et Assainissement du Campus Universitaire d’Abomey-Calavi pour servir aussi bien de support technique à ce travail qu’à la filière Science et Technologie de l’Eau. Cette station sera par la suite utilisée comme site de recherche, de plate-forme pédagogique et de formation pratique pour les professionnels des métiers de l’eau et de l’assainissement. Cette plateforme permettra ainsi aux étudiants du secteur « Eau et Assainissement » d’avoir une formation très pratique et de pouvoir toucher du doigt la réalité des systèmes d’épuration des eaux usées.
INTRODUCTION GENERALE
Problématique
La gestion et le traitement inappropriés des eaux usées municipales posent de sérieux problèmes environnementaux, de santé publique, d’assainissement, de planification de gestion de financement, d’urbanisation et de mauvaise gouvernance. Ces problèmes sont d’ordre méthodologique, technique, scientifique et réglementaire. Ils sont amplifiés par l’augmentation continue de la quantité d’eaux usées à gérer, liée à l’accroissement rapide de la population urbaine dans les PED. D’après le recensement général de la Population et de l’Habitat (RGPH) de 2002, le taux moyen d’accroissement de la population au niveau national est de 3,25% alors que celui de la ville d’Abomey-Calavi par exemple fait 9,30% soit environ le triple la moyenne nationale. En dehors des anciennes villes saturées comme Cotonou et Porto-Novo (densité de la population respectivement de 8419 et 2032 habitants au km2 contre 79 habitants au km2 pour l’ensemble du pays) qui affichent des taux d’accroissement en dessous de la moyenne nationale, toutes les nouvelles villes en pleine urbanisation ont des taux d’accroissement supérieur à la moyenne nationale [1-3].
Les solutions d’assainissement proposées jusque-là sont inadaptées à cause du manque cruel de données locales et sont l’objet d’échecs répétés ces dernières années. Il a été constaté que certaines stations d’épuration sont surexploitées. C’est le cas de la station d’Ekpè, qui reçoit plus de 400 m3 de boue de vidange par jour alors qu’elle a été dimensionnée pour traiter 180 m3 d’eaux usées par jour [4]. D’autres sont construites mais jamais mises en service, du fait des études de faisabilité mal réalisées ; on peut citer les cas des stations de Parakou et Porto Novo. Ce qui qui montre un manque de connaissance des paramètres spécifiques aux stations d’épurations [4].
Aujourd’hui sous l’impulsion des pouvoirs publics et des ONG, un certain nombre de textes réglementaires et législatifs ont été adoptés au Bénin. Mais la dimension scientifique et technique qui devrait servir de support pour l’application de ces textes n’est pas définie ou maîtrisée. En effet, les standards de STEP, reproduits à partir des expériences des pays développés (PD) conduisent à des principes de conception et de fonctionnement inadaptés.
Les données existantes sont théoriques et réunissent un grand nombre de paramètres empiriques issus, soit de la recherche fondamentale qui prend en compte des aspects particuliers sans pouvoir rendre compte de l’ensemble du processus de fonctionnement, soit des institutions multilatérales (en l’occurrence l’OMS) qui donnent des recommandations d’ordre général, soit de bureaux d’études ou d’entreprises qui n’ont justement pas pu faire référence à des cas d’expérience dans ces contextes.
Malheureusement les eaux usées mal gérées polluent le sol, aussi bien les eaux de surface que souterraines; elles sont aussi à l’origine d’autres nuisances environnementales et par conséquent constituent un danger pour la santé publique [5-7]. Selon l’OMS, la majeur
partie des maladies dans les pays en développement est liée à l’eau et à l’assainissement [7- 9]. Les excréta humains sont responsables de la transmission de la diarrhée, du choléra, de la fièvre typhoïde, de la dysenterie et de la bilharziose (schistosomiase) et de plusieurs autres maladies infectieuses qui affectent des milliers de millions d’hommes dans le monde.[5, 6, 10, 11]. Ceci parce que divers organismes pathogènes se retrouvent dans les matières fécales provenant aussi bien de personnes bien portantes que de personnes malades.
Diverses substances indésirables ont été aussi retrouvées dans les eaux usées [9, 12-14].
Selon l’ONU-eau, la diarrhée est au deuxième rang des affections contribuant à la morbidité mondiale – devant les maladies cardiaques et le virus d’immunodéficience humaine (VIH)/
syndrome d’immunodéficience acquise (SIDA) [15]. L’OMS estime à plus de 1,8 millions le nombre de personnes qui meurent chaque année des causes de diarrhée. Les enfants sont les principales victimes de cette maladie [3, 6]. Il est estimé à 1,5 millions le nombre d’enfants de moins de cinq ans décédant chaque année des suites de diarrhée, soit “un enfant meurt toutes les 21 secondes” [6, 11].
Cette situation catastrophique de gestion inadéquate des eaux usées serait aussi liée à l’essor démographique que connaissent actuellement les pays en développement. La croissance démographique non maîtrisée entraine souvent des problèmes d’urbanisation qui ralentissent ou limitent l’accès à un assainissement durable. Plusieurs auteurs avaient identifié [16] la croissance rapide de la population comme une caractéristique majeure des villes du Tiers Monde, où la plupart des activités économiques et administratives sont concentrées. Dans la sous-région Ouest-africaine, par exemple, la population urbaine est passée de 32,5% de la population totale (171 millions d’habitants) à 39,80% (222 millions de personnes) en 2000 [17]. C’est un grand défi pour les autorités locales et les différentes parties prenantes de mettre à la disposition de cette population grandissante les services de base, en particulier des installations sanitaires améliorées [18]. Le problème se fait beaucoup plus ressentir en assainissement parce que, pendant longtemps les autorités des pays en développement ont concentré tous leurs efforts sur l’approvisionnement de la population en eau potable tout en négligeant d’assurer un assainissement adéquat [19].
Une gestion adéquate des eaux usées est donc nécessaire pour assurer la protection de l’environnement et garantir une meilleure santé publique. Elle permettrait aussi de produire des effluents microbiologiquement sains pour une réutilisation en agriculture et en pisciculture, valorisant ainsi les éléments nutritifs présents dans ces eaux. La production d’odeur déplaisante et nauséabonde pourrait aussi être évitée par une bonne gestion des eaux usées [14, 20-22].
Plusieurs technologies d’épuration des eaux usées existent actuellement dans le monde et beaucoup d'entre elles (boues activées, oxyterne, chenal d'oxydation) ont été essayées dans la région sub-saharienne [23, 24]. Mais il est remarqué que ces systèmes d’épuration de type
intensif ne sont pas adaptés à notre environnement. Ils sont chers et difficiles à entretenir.
Même avec un personnel qualifié pour la maintenance et l’entretien, ils ne sont pas compatibles avec les conditions locales surtout en raison de la non maîtrise de la source d’énergie qui est l’électricité. Leur coût d’investissement et d’utilisation est élevé respectivement à cause de l’importation des composants mécaniques, et de la cherté de l’électricité. Les villes doivent faire face à des factures onéreuses d’électricité ; aussi, avec les coupures intempestives de courant, ces types de stations ne peuvent pas fonctionner de façon continue [14, 24-29].
Les systèmes de traitement qui fonctionnent le mieux dans les pays en développement sont les bassins de stabilisation [30, 31] du fait de leur simplicité, leur faible coût d'installation et de maintenance, et les conditions climatiques optimales dans les régions tropicales [23, 30, 32, 33]. Ces systèmes sont efficaces dans l'élimination des germes pathogènes [34, 35]
jusqu'à 99% quand ils sont bien conçus, bien exploités avec les paramètres de performance bien maîtrisés [27, 30, 36]. Cependant, les éléments nutritifs résiduels tels que l'azote et le phosphore peuvent être source de problème, sauf s’ils sont directement réutilisés en culture maraichère ou en pisciculture [30]. La principale technologie d’épuration utilisée dans les stations de traitement des eaux usées du Bénin est le procédé de lagunage naturel. Le problème majeur, lié à l’utilisation de cette technologie au Bénin, est qu’elle est souvent surchargée et bénéficie de peu, voire pas du tout de maintenance. Aussi les effluents sont déversés sans aucun effort de récupération des éléments nutritifs que ces eaux contiennent [19, 27] ; alors que la valorisation de ces éléments nutritifs pourrait contribuer au financement de la maintenance [37, 38].
Des stations d’épuration décentralisées, intégrant la réutilisation en agriculture urbaine et en pisciculture, dans les centres urbains et principalement à Cotonou peuvent être envisagées. Un Système qui répond à cette exigence et promeut la valorisation des éléments nutritifs présents dans les eaux usées tout en prenant avantage des conditions climatiques des pays tropicaux et qui répond également aux exigences socio-économiques et politiques est le lagunage à macrophytes, encore appelé épuration verte [22, 27], dans lequel les plantes sont utilisées pour améliorer la qualité des effluents [39, 40]. Il a été prouvé que ces systèmes sont très efficaces dans l’élimination des matières en suspensions [41]. Ils permettent l’élimination des germes pathogènes dans leur quasi-totalité [34, 35] et sont tributaires de l’optimisation d’utilisation de l’azote et du phosphore résiduels, surtout pour leur réutilisation en pisciculture et pour les cultures maraichères [41-45]. Cependant la présence de la flore fécale et des œufs de parasites dans ces eaux usées épurées limitent leur utilisation dans la production des légumes consommés crus [20, 46]. Le problème majeur est l’inexistence de règles de dimensionnement des bassins à lentilles d’eau.
Dans ce cadre, notre étude s’est appesantie sur l'évaluation technique de l’état de l’assainissement dans les centres urbains des pays en développement en prenant comme base le cas du Bénin. En effet, pour une meilleure prise en main de l’assainissement et des prises de décisions, il est nécessaire de cerner l’état actuel, alors que très peu de données sont disponibles. Ce travail est le premier à rassembler et à mettre à dispositions les informations techniques sur l’état de l’assainissement dans les centres urbains du Bénin et aussi les informations de base sur les caractéristiques des eaux usées et des boues de vidange.
Cette étude permet également d’apporter des solutions spécifiques à la mise en place, l’exploitation et la conception des systèmes intégrés de lagunage à lentilles d’eau dans les pays en développement. En effet, l’analyse des pratiques de gestion de l’assainissement a fait ressortir la nécessité de mettre en place un système d’épuration permettant une meilleure valorisation des eaux usées afin de pallier au problème de dysfonctionnement des stations existantes lié en général au manque de ressources pour l’entretien et la maintenance. Pour répondre à ces besoins, il a été mis en place un système expérimental d’épuration basé sur l’utilisation des lentilles d’eau. Toutefois, il est nécessaire d’apprécier les avantages et limites de ce système d’épuration par rapport au lagunage à microphytes existant. Ce travail a donc consisté à l'expérimentation et à l'étude comparative de la technique de lagunage à microphytes et de celle du lagunage à macrophytes flottants (lentilles d’eau). Le comportement de chaque système sous diverses charges organiques a été étudié ainsi que l’identification et l’analyse des paramètres de performances et les mécanismes épuratoires. Une importance particulière a été accordée à:
l’effet de la charge organique entrante sur la performance de ces systèmes ;
l’effet de la salinité sur la production de biomasse ;
la performance éliminatoire des lentilles d’eau.
Les résultats obtenus ont permis de déduire les règles de dimensionnement et de conception d'une filière d'épuration par lagunage à lentilles d’eau pour une réutilisation des eaux épurées et de la biomasse produite.
Objectifs et structure de cette thèse
Les objectifs spécifiques de notre thèse intitulée « Mise au point d’un système d’épuration des eaux usées à base des lentilles d’eau : Analyse des processus et performances» se présentent comme suit :
1. Faire l’état des lieux des pratiques de gestion des eaux usées domestiques et boues de vidanges dans les centres urbains du Bénin en l’occurrence dans la ville de Cotonou ;
2. Caractériser les eaux usées générées et les boues de vidange;
3. Etudier les performances d’une station expérimentale à base de lentilles d’eau mise en place ;
4. Faire des suggestions sur les éléments de dimensionnement des bassins à lentilles d’eau pour la réutilisation des effluents.
Ce rapport est subdivisé en trois parties:
Une première partie bibliographique fait état de la généralité sur les eaux usées et les boues de vidange, la problématique de gestion et d’épuration des eaux usées dans les pays du PED, les systèmes d’assainissement existants en Afrique de l’Ouest et les problèmes qui y sont liés. Cette partie présente les systèmes de lagunage simple et de lagune à macrophytes, leur principe et fonctionnement en mettant l’accent sur les différents macrophytes expérimentés dans la sous-région pour l’épuration des eaux usées. Sur la base des techniques développées et résultats scientifiques de différents auteurs, il a été procédé au choix du système à mettre en place en tant que station expérimentale, le macrophyte à utiliser, ainsi que les paramètres de performance à étudier.
Une deuxième partie présente la description de la méthodologie appliquée pour les enquêtes sur le terrain, la conception, la mise en place et le suivi de la performance de la station expérimentale. Elle décrit aussi les techniques d’analyse des paramètres spécifiques de caractérisation des eaux usées et de suivi de performance de la station d’épuration ainsi que les outils de traitement et d’analyse des résultats.
Une troisième partie « résultats et discussions », présente l’état des lieux de l’assainissement dans les grandes villes du PED. Cette partie met en exergue les résultats de la caractérisation physico-chimique et bactériologique des eaux usées et boues de vidange générées à Cotonou et sur le Campus d’Abomey-Calavi, les caractéristiques de la station expérimentale conçue et les résultats de performance de cette station. Les résultats de l’étude comparative de la performance des bassins à algues et à lentilles d’eau et l’analyse de l’effet de la charge organique entrant et de la salinité sur les bassins à lentilles ont permis dans cette partie de développer quelques considérations techniques à prendre en compte lors du dimensionnement de bassins à lentilles d’eau pour la réutilisation des effluents.
Première partie : Etude bibliographique
SOMMAIRE
CHAPITRE 1 : DEFINITIONS ET COMPREHENSIONS
... 10
1.1. Concepts ... 10 1.2. Differents types d’eaux usees ... 12 1.3. Contaminants et caracterisques majeurs des eaux usees ... 14 1.4. Caracteristiques typiques des eaux usees domestiques et des boues de vidange ... 22 CHAPITRE 2 : GESTION DES EAUX USEES
... 24
2.1. Systemes d’assainissement ... 24 2.2. Besoin de traitement des eaux usees ... 24 2.3. Technologies d’epuration des eaux usees ... 26 2.4. Choix des biotechnologies ... 30 2.5. Assainissement des eaux usees dans les villes de l’Afrique de l’Ouest ... 31 2.6. Assainissement des eaux usees dans les villes du benin ... 32 CHAPITRE 3 : PRINCIPE ET FONCTIONNEMENT DU LAGUNAGE
... 39
3.1. Bassins de stabilisations ... 39 3.2. Lentilles d’eau ... 47 3.3. Bassins a macrophytes pour l’epuration des eaux usees : bassins a lentilles d’eau . 55
Chapitre 1 : Généralités sur les eaux usées
CHAPITRE 1 : DEFINITIONS ET COMPREHENSIONS
1.1. CONCEPTS 1.1.1. EAUX USEES
Les eaux usées sont l’ensemble de toutes les eaux chargées en matières organiques, minérales et inertes, susceptibles de contaminer les milieux dans lesquels elles sont déversées. Elles consistent essentiellement en l’ensemble des eaux altérées, polluées par les activités humaines après divers usages soit domestiques et professionnels (agriculture, artisanat, industrie) [47]. La pollution de l'eau est définie comme n'importe quelle modification physique, chimique ou biologique de la qualité de l'eau qui affecte négativement les organismes vivants ou qui rend l'eau impropre à une utilisation souhaitée [5].
1.1.2. ASSAINISSEMENT
On entend par «assainissement» l'ensemble des travaux que doivent effectuer, en se conformant aux règles de l'hygiène, les particuliers, les collectivités et les pouvoirs publics pour faire disparaître des agglomérations toutes causes d'insalubrité [6]. L’assainissement d’une agglomération a pour but d’assurer la collecte, le transit, et au besoin la rétention de l’ensemble des eaux polluées, pluviales, et usées, et de procéder aux traitements avant leur rejet dans le milieu par des modes compatibles avec les exigences de la santé publique et de l’environnement [6, 47].
Il vise ainsi à maintenir un environnement qui n’affectera pas la santé publique en général en créant des conditions de vie qui n’aboutiront en aucun cas de sérieuses explosions épidémiques. L’assainissement est donc, en d’autres termes, une mesure de prévention pour la préservation de la santé de la communauté en général et de l’individu en particulier [48]. Généralement on distingue aussi l’assainissement en milieu urbain de celui en milieu rural car les problématiques sont assez différentes [49].
1.1.3. INSTALLATION D’ASSAINISSEMENTAMELIOREE
Selon la définition de l’OMS, les installations d’assainissement amélioré comprennent [49, 50]:
le raccordement au tout-à-l’égout,
le raccordement à une fosse septique,
les latrines à chasse d’eau rudimentaire,
les latrines à fosse simple,
les latrines à fosse, améliorées et auto ventilées, Les installations d’assainissement non amélioré comptent :
Chapitre 1 : Généralités sur les eaux usées
les latrines publiques ou communes
les latrines en plein air
la tinette
1.1.4. ÉPURATION DES EAUX USEES ET STATIONS D’EPURATION
L’épuration est une opération qui consiste à éliminer les impuretés d'un produit ou d'une substance quelconque afin de la rendre propre à certains usages [51].
L’épuration des eaux usées est donc l’opération de purification des eaux brutes plus ou moins polluées, qui vise à les débarrasser de tout élément polluant afin de produire une eau respectant les normes de rejets ou de les recycler [52, 53].
La STation d’EPuration (STEP) est une installation permettant la dépollution des eaux usées avant leur rejet [54].
1.1.5. BOUES DE VIDANGE
Ce terme désigne les boues fraîches (ou partiellement digérées) ou solides résultant du stockage des eaux vannes ou excréta dans les systèmes individuels d’assainissement, principalement des fosses septiques, des puisards et des latrines [12, 20]. C’est le contenu liquide et semi-solide extrait par pompage d'une fosse [55].
1.1.6. BOUES TRAITEES ET EFFLUENT
Un effluent est un liquide (exemple : eaux usées traitées ou non) qui sort d’un procédé, d'une usine de traitement, d'égouts ou de rejets industriels ou d’un espace confiné [20, 55].
Une boue traitée est un ensemble de solide et d’eau qui se dépose au fond des bassins ou produite comme un sous-produit du traitement des eaux usées. Ce terme indique que les boues ont subi un certain degré de traitement et ne sont plus brutes ; mais elles ne doivent pas être supposées totalement ou automatiquement saines.
1.1.7. ALGUES
Les algues sont des plantes microscopiques aquatiques qui consomment du gaz carbonique par photosynthèse [55, 56]. Elles ont une forme très simple. Elles ne possèdent ni racines, ni tiges, ni feuilles. Elles retrouvent dans l’eau comme une cellule unique indépendante ou en colonies sous forme de branche de longueur visible de couleur verte. Il existe des centaines d’espèces d’algues de différentes formes de couleurs verte et moins fréquemment marron ou rougeâtre [56].
1.1.8. MACROPHYTES
« Macrophyte » est un terme générique pour désigner toutes les plantes aquatiques visibles à l'œil nu. Les macrophytes peuvent être flottants (les jacinthes d’eau, les laitues d’eau et les
Chapitre 1 : Généralités sur les eaux usées
lentilles d’eau), submergés (Lemna trisulca), ou émergeants (les joncs, les roseaux, Cyperus Papyrus). Ils sont sensibles à la qualité de l’eau et du sédiment. La présence, la prolifération ou au contraire la disparition d’espèces de macrophytes indiquent des niveaux de pollution différents [22, 44].
1.2. DIFFERENTS TYPES D’EAUX USEES
Les eaux usées sont classées selon leur usage ou origine. On distingue donc les eaux usées domestiques, les eaux usées industrielles et les eaux pluviales [12].
1.2.1. EAUX USEES DOMESTIQUES
Les eaux usées domestiques sont celles issues des habitations, des locaux commerciaux, des institutions ou des sanitaires des entreprises [12, 47]. Elles comprennent essentiellement les eaux vannes et les eaux grises [12, 57].
Eaux vannes
Les eaux vannes sont les eaux provenant des cabines d’aisances [47]. Elles sont constituées d’un mélange d’urine, de fèces, d’eau de chasse, d’eau de nettoyage anal (si le nettoyage anal est pratiqué) et/ou des matériaux de nettoyage anal (exemple : papier hygiénique).
Elles contiennent l’ensemble des germes pathogènes des fèces et des nutriments (azote, phosphore et potassium) des urines qui est dilué dans les eaux de chasse [20, 57].
- Eau de chasse
L’eau de chasse est celle utilisée pour transporter les excréta de l’interface utilisateur à la technologie réceptrice suivante. L’eau douce, l’eau de pluie ou l’eau grise recyclé ou une combinaison des trois peut être utilisée comme source d’eau de chasse.
- Eau de nettoyage anal
L’eau de nettoyage anal est l’eau qui a servi pour le nettoyage des parties intimes après défécation ou après avoir urinée. Elle n’inclut pas les objets ou autres matières sèches utilisés pour le nettoyage (par exemple papier hygiénique). Son volume par usage varie en général entre 0,5 et 3l par usage.
- Excréta
Les excréta consistent en des excréments ou fèces et des urines non mélangés avec de l’eau de chasse. Ils sont de volume réduit mais très concentrés en nutriments, des oligo-éléments (Cuivre, fer et zinc) et germes pathogènes ; ils peuvent être, selon le cas, solides, pâteux ou liquides [6, 47, 58].
- Fèces
Les fèces renvoient à des excréments semi-solides, sans urine ni eau. Chaque personne produit en moyenne 50l de matières fécales par an qui contiennent la totalité des
Chapitre 1 : Généralités sur les eaux usées
nutriments excrétés, environ 10% de l’azote, 30% du phosphore et 12% du potassium et la quasi-totalité des coliformes fécaux [59].
- Urine
L’urine est un déchet liquide produit par le corps pour se débarrasser de l’urée et d’autres déchets. L'urine a été filtrée par les reins et ne contient que des substances de faible poids moléculaire. A l'excrétion, le pH de l’urine est normalement d’environ 6, mais peut varier entre 4,5 et 8,2. 75 à 90% de l’azote est excrété sous forme d’urée et le reste principalement sous forme d’ammonium et de créatinine. En fonction du régime alimentaire, l’urine produite par personne (environ 500 l) contient 2 à 4 kg d’azote [58].
Eaux grises ou eaux ménagères
Les eaux grises ou eaux ménagères sont constituées de l’ensemble des eaux générées par la cuisine, les salles de bains et les buanderies; Elles ne contiennent en général pas une quantité significative d’excréta donc très peu de germes pathogènes [20]. Elles contiennent moins de matières solides en suspension que les eaux vannes, mais elles sont plus grasses et plus chaudes que ces dernières. Les eaux de cuisine sont plus chargées en matières solides.
Elles ont une demande biochimique plus élevée d'oxygène et sont plus riches en nitrates que les autres types d'eaux ménagères. Leur volume et leur nature varient d’une communauté à l’autre et dépendent des modes de vie, d’alimentation, d’hygiènes, des installations sanitaires et des équipements ménagers utilisés [6]. Les eaux ménagères constituent environ 60 à 65% des eaux usées produite dans les ménages équipés de toilettes à chasse [12].
1.2.2. EAUX USEES INDUSTRIELLES
Les eaux usées sont des liquides de composition hétérogènes, chargées de matières minérales ou organiques, pouvant être en suspension ou en solution, et dont certaines peuvent avoir un caractère toxique. Les matières grasses et colloïdales sont presque toujours associées à cette charge [12].
Les eaux usées industrielles sont celles dans lesquelles les déchets industriels prédominent.
Leurs charges sont souvent directement liées au type d’industrie. Elles peuvent présenter des caractéristiques de toxicité propres liées aux produits chimiques transportées. Leur charge polluante totale a été estimée au moins supérieure à celle des eaux usées domestiques [60].
Le volume et les caractéristiques des eaux usées industrielles varient considérablement d’une industrie à une autre, et même, dans une même industrie on note une grande diversité de ces paramètres. Aussi, la présence de matières organiques et minérales en quantité importante, due á la grande variété de produits, ne facilite pas la détermination de
Chapitre 1 : Généralités sur les eaux usées
leurs caractéristiques qualitatives ; mais les propriétés générales des eaux d’un type donné d’industrie sont similaires [61].
1.2.3. EAUX PLUVIALES
Elles désignent les eaux collectées des toits, routes, parking et autres surfaces lors d’un évènement pluvieux avant leur évacuation vers les points bas. L’urbanisation progressive du territoire entraîne un accroissement considérable du pourcentage de surface imperméable.
La première conséquence de cette situation nouvelle est la réduction, lors des précipitations de pluie, de la proportion du volume d’eau qui pénètre dans le sol et l’augmentation de celle qui ruisselle en surface : c’est ce dernier volume d’eau qu’on appelle eaux de ruissellement ou eaux pluviales. Elles constituent la partie des eaux de pluie non infiltrée dans le sol. Les eaux pluviales ne sont pas propres, il arrive même qu’elles soient par moments, plus polluées que les eaux usées domestiques. Les gouttes de pluie traversent une atmosphère pas toujours pure, chargée de poussières et de produits divers. Cette pollution atmosphérique provient notamment de la combustion des hydrocarbures destinés au chauffage, à l’industrie et aux transports. Les émissions d’oxydes de carbones, d’azote et de soufre se transforment dans l’atmosphère en acides carboniques, sulfuriques ou nitriques qui abaissent le pH de la vapeur d’eau, donc des gouttes de pluie et donnent ainsi à l’eau un caractère acide. De plus, les gouttes d’eau dissolvent les gaz polluants. Elles peuvent aussi entraîner certains composés solides polluants (poussières) jusqu’au sol. Sur les surfaces imperméabilisées, les eaux en ruisselant, arrachent, puis transportent les matières qui se trouvent sur les chaussées, parkings, trottoirs et toitures. Il s’agit, pour l’essentiel, des éléments comme des rejets des échappements et des fuites des moteurs (suies, hydrocarbures), des particules de pneumatiques, de métaux, des terres, boues, perte de matériaux transportés ou provenant des chantiers, des déjections des animaux et déchets divers (mégots, papiers, etc.) ou des produits d’urine et de dégradation des chaussées. Enfin, les eaux de ruissellement, captées par le réseau pluvial, vont remettre en suspension les dépôts du collecteur datant de la pluie précédente. Tout ceci résulte de la nature polluée des eaux pluviales et leur classement dans les eaux usées [47, 62].
1.3. CONTAMINANTS ET CARACTERISQUES MAJEURS DES EAUX USEES 1.3.1. MATIERES EN SUSPENSION (MES)
Elles représentent les matières qui ne sont ni à l’état soluble ni à l’état colloïdal, donc retenues par un filtre. Les MES, qui comportent des matières organiques et minérales, constituent un paramètre important qui marque bien le degré de pollution d’un effluent urbain ou même industriel [47]. Elles peuvent conduire à un dépôt de boue et au développement de condition anaérobique lorsque les eaux usées non traitées sont déversées dans l’environnement aquatique [62]. La présence de particules en suspension
