Effet de l'ensoleillement et du PH sur les performances épuratoires de la jacinthe d'eau et sur la production de la biomasse végétale

(1)

(2)

Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’Ingénieur de Conception

présenté et soutenu par Albant SAGBO i

DEDICACES

Je dédie ce mémoire à :

 Dieu trois fois saint, le tout Puissant, l’Omniprésent, l’Omniscient, le Miséricordieux sans qui aucune œuvre n’est possible. Il m’a orienté sur le chemin de la probité intellectuelle, de la persévérance dans les douleurs les plus atroces, de la rigueur dans le travail à accomplir. Merci Seigneur pour m’avoir éclairé et guidé du début jusqu’à l’aboutissement de ce travail.

 Mon père Dorothé SAGBO, dont le souci majeur a toujours été de voir ses enfants réussir et qui n’a jamais ménagé ses efforts pour cela. Mon très cher père, me voici enfin à une des grandes portes de ma vie que tu aurais aimé voir. Puisse ce travail être le réconfort de tes peines et de ton amour pour moi. Que Dieu le Père daigne t’accorder une place près de lui pour que ton âme repose en paix.

(3)

présenté et soutenu par Albant SAGBO ii

REMERCIEMENTS

Le présent Mémoire est le fruit tangible des efforts et contributions de plusieurs personnes. C’est pourquoi j’adresse mes sincères remerciements^{au :}

Professeur Félicien AVLESSI, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey- Calavi, Professeur Titulaire des Universités CAMES ;

Professeur Clément BONOU, Maître de Conférences des Universités du CAMES, Directeur adjoint de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ;

Professeur Martin Pépin AINA, Maître de Conférences des Universités du CAMES, Chef de Département de Génie Civil, Responsable du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau, mon encadreur. Votre caractère d’Homme de Science et votre sens élevé de responsabilité m’ont permis de mener à bien la présente étude. Je vous suis profondément reconnaissant.

Professeur François de Paule CODO, Ing. Master of Sc., PhD ; Maître de Conférences des Universités du CAMES, Chef d’option Sciences et Techniques de l’Eau ;

Mes sincères remerciements à l’endroit de :

Madame Peace WENDEOU Enseignante à l’Ecole Polytechnique d’Abomey Calavi, Directrice du Bureau d’Etudes HORSE Sarl. Malgré vos multiples occupations, vous avez toujours trouvé du temps pour m’écouter. Je tiens à vous remercier pour toutes les démarches que vous avez entreprises dans le cadre de l’effectivité de ce travail.

Un hommage tout particulier aux illustres membres de jury qui seront chargés d’apprécier ce modeste travail. Vos suggestions, remarques et critiques ne feront qu’accroître la valeur scientifique de ce document. Merci pour votre disponibilité !

Je tiens à témoigner toute ma satisfaction au corps professoral de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi et en particulier ceux du département de Génie Civil pour l’altruisme dont ils font preuve à l’égard des étudiants malgré leurs multiples occupations. Il s’agit du :

(4)

présenté et soutenu par Albant SAGBO iii

 Professeur Edmond ADJOVI, Maître de Conférences ;

 Professeur Aïssè Gérard GBAGUIDI, Maître de Conférences ;

 Professeur S.Victor GBAGUIDI, Maître de Conférences ;

 Professeur Mohamed GIBIGAYE, Maître de Conférences ;

 Docteur Ingénieur Adolphe TCHEHOUALI, Maître Assistant ;

 Docteur Ingénieur Ezéchiel ALLOBA, Maître Assistant ;

 Docteur Ingénieur Crépin ZEVOUNOU, Maître Assistant ;

 Docteur Ingénieur Gossou Jean HOUINOU, Maître Assistant ;

 Docteur Ingénieur Mathias SAVY, Maître Assistant ;

 Docteur Ingénieur Léopold DEGBEGNON, Maître Assistant ;

 Docteur Ingénieur Taofic BACHAROU, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Ingénieur Codjo Luc ZINSOU, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Ingénieur Agathe HOUINOU, Enseignante à l’EPAC ;

 Docteur Ingénieur Epiphane WANKPO, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Fidèle TONON, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Architecte Noël DIOGO, Enseignant à l’EPAC ;

 Architecte Léon MESSAN, Enseignant à l’EPAC ;

 Architecte-Urbaniste Michel Rodrigues SAMA, Enseignant à l’EPAC^;

 Doctorant Daniel AGOSSOU, Enseignant à l’EPAC ;

 Ingénieur Maxime ASSOGBA, Enseignant à l’EPAC ;

 Ingénieur ProspèreZOHOUNGBOGBO, Enseignant à l’EPAC ;

 Ingénieur Elena AHONONGA, Enseignante à l’EPAC ;

 Ingénieur Paul Maurille LANMANDJEKPOGNI, Enseignant à l’EPAC ;

 Ingénieur Yvette AGOSSOU, Enseignante à l’EPAC ;

 Tous les autres enseignants du secteur industriel de l’EPAC ;

 Monsieur Cyprien LAADE, Technicien du LERGC SA.

Je saisi l’occasion pour témoigner mon attachement à :

Ma mère Clarice AMADJI, femme de vertu et de rigueur qui partage mes ambitions. Maman, je me souviens encore de ces soirs où du retour de l’école, tu nous obligeais à apprendre nos leçons et à les réciter avant d’aller au lit. Je te

(5)

présenté et soutenu par Albant SAGBO iv

remercie pour l’éducation que tu m’as donnée. Trouves ici la récompense de toutes ces peines que tu t’es données.

Tous mes frères et toutes mes sœurs, pour leur affection et soutien ; en particulier les défuntes Gisèle, Isabelle et Céline, j’aurai tant voulu que vous soyez encore en vie ces jours-ci ;

Mon cher frère Boris SAGBO et sa femme Théodora GBAGUIDI, sans oublier ma femme Myriade QUENUM, merci pour tout et que DIEU vous bénisse ;

Toutes les familles SAGBO et AMADJI pour tout leur amour et soutien ; Mon frère Yves SAGBO, le plombier de mon dispositif expérimental Tous et toutes mes ami (e) s en particulier Brice TOBOSSI, Gildas HOUNGBEDJI, Sosthène Yannick ZOUNTCHEGBE, Joël AGUIDISSOU, Edwige AZA- SEGLA et Christelle DAVO pour leur bon sens d’amitié, les joies et les réconforts qu’ils m’apportent dans les moments difficiles. Que ce travail soit pour vous le symbole d’une franche amitié ;

Tous mes amis de la 6^ième promotion pour les moments passés ensemble en particulier Achmiyou ALAO, Noël ALOSSE et Nestor DANSOU pour la grande sympathie accordée, trouvez ici le fruit de notre amitié ;

Au doctorant Belfrid DJIHOUESSI, pour avoir accepté porter sa note de correction à notre travail malgré le moment et ses multiples occupations ;

Tous ceux qui de près ou de loin ont participé à la réussite de notre stage ;

Je remercie toute l’équipe du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau, qui m’a accompagné durant mon stage et la rédaction de mon mémoire.

Spécifiquement, Mme Flora AGBOMENOU, la doctorante Justine DEGUENON , l’ingénieur Mohamed DAOUDA et Mlle. Reine MAHOUNON vos conseils avisés m’ont permis de mener à bien ce travail.

Je remercie aussi tous les stagiaires du laboratoire en particulier Gilchrist, Solange, Naomie, Sonia, Connors, Prisca, Yessirath et Léocadi.

(6)

présenté et soutenu par Albant SAGBO v

Résumé

Ce travail s'intéresse aux effets qu’ont l'éclairement lumineux et le pH sur la capacité de la jacinthe d’eau à épurer les eaux usées domestiques. A cet effet, après un traitement primaire dans un bassin anaérobie de 1200 litres, deux expérimentations ont été menées l’une après l’autre durant un temps de séjour de vingt-un jours. Pour la première expérimentation, l’eau usée contenant des plants de jacinthe d’eau a été soumise à trois différents éclairements lumineux.

Ainsi pour des éclairements lumineux très faibles (salle mise au noire), nous avons assisté à une dégénérescence totale des plants de jacinthe d’eau au dixième jour, puis à une décantation des MES. Pour des éclairements lumineux modérés (bassins d'expérimentation mis sous hangar) nous avons assisté à une bonne élimination de la pollution carbonée soit: 70,83% pour les MES, 77.10%

pour la DCO et 77,42% pour la DBO₅. Pour des éclairements lumineux normaux (bassin Directement exposé aux rayons solaires) une excellente élimination des pollutions azotée et phosphorée de l’ordre de 85,7% et 84% respectivement a été obtenue. Pour la deuxième expérimentation, les plants de jacinthe d’eau ont été introduits dans des bassins d’eaux usées domestiques à des pH allant de 5 à 9. Il a été observé dans un premier temps une dégénérescence des jacinthes introduites dans tous les bassins au début de l’expérience : c’est la phase d’adaptation. Après la phase d’adaptation, les jacinthes d’eau introduites dans les bassins à pH 5, pH 6, pH 7, et pH 8 ont connu une régénérescence et un développement à des vitesses de croissance différentes selon les bassins. Par contre dans le bassin à pH 9, nous avons assisté à une dégénérescence quasi totale des pieds de jacinthes d’eau, puis à une régénérescence de ces plants avec au final des jacinthes d’eau légèrement différentes de celles introduites au début de l’expérience. Dans ce bassin (pH 9), nous avons constaté le développement des microphytes du à la basicité du milieu. Le bassin à pH 7 a présenté une meileure élimination de la pollution carbonée soit 83,68% pour la DCO et 88,56% pour la DBO₅. Le bassin à pH 8 a présenté les meilleurs rendements pour l'élimination des MES, de l’azote total et du P-PO₄^3-, soient respectivement 86,11%, 94,02% et 95,76%. Remarquons que dans ce même bassin, les jacinthes d’eau ont connu un développement optimal. Ces résultats nous permettent de confirmer l’hypothèse selon laquelle l’éclairement lumineux et le pH agissent sur la capacité épuratoire de la jacinthe ainsi que la production de la biomasse végétale.

Mots clés : Eaux Usées Domestiques, jacinthe d’eau (Eichhornia Crassipes), éclairement lumineux, pH.

(7)

présenté et soutenu par Albant SAGBO vi

Abstract

This work has examined the effects of illuminance and pH on the effiscienty of water hyacinth to purify Domestic wastewater. To this end, after primary treatment in an anaerobic tank 1200 liters, two experiments were carried out using experimental ponds with a retention time of twenty- one days each.

For the first experiment, the experimental water hyacinth ponds were subjected to three different illuminances. Thus, for the lowest light illumination (black room), we are complete degeneration of the plants has been observed on the tenth day, followed by a settling of suspended solids. For the moderate illuminances (experimental basins under shed) a good removal of carbon pollution has been achieved: 70.83% for TSS, 77.10 % for COD and 77.42 % for BOD₅. For normal illuminances (basin set in the directly exposed to sunlight), a better nitrogen and phosphorus pollution removal, 85.7 % and 84 % respectively, has been obtained. For the second experiment, the water hyacinth plants into domestic wastewater ponds with adjusted pH varying from 5 to 9. A degeneration of water hyacinths introduced in all basins was observed at the beginning of the experiment: it is the adaptation phaseAfter the adaptation phase, the water hyacinth present in ponds with pH 5, pH 6, pH 7 and pH 8 have shown an regeneration and a development at different growth rates depending on the basins. In the other hand, the basin at pH 9 presented a total degeneration of the water hyacinths plants and a regeneration of these plants with the end slightly different from those introduced at the beginning of the experience. In this basin (pH 9), it has been observed the development of microphytes due to the alkanity of the medium. The basin at pH 7 had excellent carbon pollution removal efficiency with rate of83.68 % for COD and 88.56 % for BOD₅. The basin at pH 8 showed good performance for TSS, total nitrogen and P- PO₄^3- removal of with removal rate been respectively 86.11 %, 94.02 % and 95.76 %.

It has been noticed that in the same basin, water hyacinths had optimal growth rate. These results allowed us to confirm the hypothesis that the illumination and pH affect the treatment capacity of the hyacinth and the production of plant biomass.

Key words: Domestic Wastewater, water hyacinth (Eichhornia Crassipes), illumination, pH.

(8)

présenté et soutenu par Albant SAGBO vii

Sommaire

DEDICACES... i

Résumé ... v

Abstract ... vi

Sommaire ... vii

Liste des tableaux ... xi

Liste des figures ... xii

Abréviations et sigles ... xiv

Introduction ... 1

CHAPITRE 1: PRESENTATION DU LAGUNAGE A MACROPHYTES FLOTTANTS ... 5

1.1. Définition et historique du lagunage à macrophytes flottants ... 5

1.1.1. Définition ... 5

1.1.2. Historique ... 6

1.2. Définition et Classification des systèmes naturels d’épuration par macrophytes ... 7

1.2.1. Définition ... 7

1.2.2. Classification ... 7

1.2.2.1. Systèmes d’épuration par macrophytes flottants ... 9

1.2.2.2. Systèmes d’épuration par macrophytes émergents ... 9

1.2.2.3. Systèmes d’épuration par macrophytes immergés ... 10

1.2.2.4. Systèmes d’épuration combinés ... 10

1.3. Jacinthe d’eau et performances épuratoires ... 10

1.3.1. Présentation de la jacinthe d’eau... 11

1.3.2. Multiplication de la jacinthe d’eau ... 12

1.3.3. Performances épuratoires ... 13

1.4. Avantages-Inconvénients du lagunage à macrophytes ... 14

1.4.1. Avantages ... 14

1.4.2. Inconvénients ... 15

1.5. Limite du lagunage à macrophytes flottants ... 15

(9)

présenté et soutenu par Albant SAGBO viii

1.6. Les processus d’élimination des polluants dans les lagunes à macrophytes flottants ... 16

1.6.1. Pollution Carbonée ... 17

1.6.2. Pollution Azotée ... 19

1.6.3. Pollution Phosphorée ... 22

1.7. Germes pathogènes ... 23

CHAPITRE 2 : LES FACTEURS AFFECTANTS LA CROISSANCE DE LA JACINTHE D’EAU SUR LE LAGUNAGE A BASE DE LA JACINTHE D’EAU ... 24

2.1. La température ... 24

2.2. Le potentiel d’hydrogène (pH) ... 25

2.3. Les MES ... 26

2.4. La luminosité ... 27

2.4.1. La photopériode ... 27

2.4.2. L’intensité lumineuse ... 28

2.5. La photosynthèse ... 28

2.5.1. La phase claire ... 28

2.5.2. La phase obscure ... 29

2.6. La photolyse UV ... 29

2.6. La photocatalyse ... 30

CHAPITRE 3 : METHODE EXPERIMENTALE ... 33

3.1. Présentation de la zone d’étude ... 33

3.1.1. Situation ... 33

3.2.2. Climat ... 35

3.2. Choix expérimentaux ... 35

3.2.1. Choix de la fosse septique du bâtiment F ... 36

3.2.2. Choix et prélèvement de la macrophyte ... 36

3.3. Pilotes expérimentaux ... 36

3.3.1. Conception et réalisation de la station pilote ... 36

3.3.2. Temps de séjours au niveau de la station pilote ... 38

(10)

présenté et soutenu par Albant SAGBO ix

3.3.3. Le bassin anaérobie ... 38

3.3.4. Les bassins d’expérimentations ... 38

CHAPITRE 4 : METHODE ANALYTIQUE... 40

4.1. Echantillonnage ... 40

4.1.1. Suivi de la biomasse macrophytique dans les bassins de la station pilote ... 40

4.1.2. Collecte de données au niveau de la station pilote ... 41

4.1.3. Base d’évaluation du développement des macrophytes au niveau des bassins d’expérimentations ... 42

4.2. Paramètres physico-chimiques et bactériologiques ... 42

4.2.1. La température ... 42

4.2.2. Le potentiel d’hydrogène (pH)... 42

4.2.3. Le potentiel rédox (EH) ... 43

4.2.4. Le pouvoir d’oxydo-réduction (R_H) ... 43

4.2.5. La conductivité ... 43

4.2.6. La turbidité ... 44

4.2.7. L’éclairement lumineux ... 44

4.2.8. Les matières en suspension (MES) ... 44

4.2.9. La demande chimique en oxygène (DCO) ... 45

4.2.10. La demande biochimique en oxygène (DBO5) ... 45

4.2.11. L’azote... 45

4.2.12. Les orthophosphates ... 46

4.2.13. Coliformes fécaux ... 46

4.3. Analyse et traitement des données ... 46

4.3.1. La moyenne arithmétique ... 46

4.3.2. L’écart type ... 47

4.3.3. Le coefficient de variation ... 47

CHAPITRE 5 : CARACTERISATION DES EAUX USEES ET PERFORMANCES EPURATOIRES DU BASSIN ANAEROBIE ... 49

5.1. La caractérisation des eaux usées du bâtiment F Canadien ... 49

(11)

présenté et soutenu par Albant SAGBO x

5.1.1. Les paramètres de suivi du fonctionnement ... 49

5.1.2. Les paramètres globaux de mesure de la pollution ... 50

5.2. Les performances épuratoires du bassin anaérobie ... 51

5.2.1. Les paramètres de suivi du fonctionnement ... 51

5.2.2. Les paramètres globaux de mesure de la pollution ... 52

CHAPITRE 6 : EFFET DE L’ECLAIREMENT LUMINEUX SUR LA JACINTHE D’EAU ... 54

6.1. Les paramètres de suivi du fonctionnement ... 54

6.2. Les Paramètres globaux de mesure de la pollution ... 59

6.3. La vérification de la norme de rejet ... 63

6.4. La croissance de la biomasse végétale ... 64

6.5. La conclusion partielle ... 67

CHAPITRE 7 : INFLUENCE DU PH SUR LA CAPACITE EPURATOIRE DE LA JACINTHE D’EAU ... 68

7.1. L’évolution des Paramètres de suivi du fonctionnement ... 68

7.2. Les Paramètres globaux de mesure de la pollution ... 72

7.3. Les paramètres bactériologiques ... 78

7.4. Vérification de l’effluent aux de rejet ... 78

7.5. L’évolution de la biomasse végétale dans les bassins ... 80

7.6. La conclusion partielle ... 84

Conclusion et perspectives ... 86

Références bibliographiques ... 88

(12)

présenté et soutenu par Albant SAGBO xi

Liste des tableaux

Tableau 1: Etapes du cycle de l’azote ... 20

Tableau 2 : Coordonnées GPS du point de prélèvement et des sites d’expérimentations ... 34

Tableau 3 : Valeurs obtenues pour les paramètres physico-chimiques ... 49

Tableau 4 : valeurs des paramètres globaux de pollution obtenues ... 50

Tableau 5: paramètres physico-chimiques mesurés après le temps de séjour ... 51

Tableau 6 : paramètre globaux de l’expérience N°1 ... 52

Tableau 7 : paramètre globaux de l’expérience N°2 ... 52

Tableau 8 : les différentes concentrations obtenues après les 21 jours ... 63

Tableau 9 : la biomasse végétale obtenue à la fin de l’expérience N°1 ... 64

Tableau 10 : les paramètres bactériologique déterminés au niveau du BA ... 78

Tableau 11 : les paramètres bactériologique déterminés au niveau du chaque bassin d’expérimentation après 21 jours ... 78

Tableau 12 : les résultats des différentes analyses sur les échantillons du 21^ième jour dans chaque bassin d’expérimentation ... 79

Tableau 13 : l’état de l’évolution de la biomasse végétale après 21 jours ... 80

(13)

présenté et soutenu par Albant SAGBO xii

Liste des figures

Figure 1 : Présentation des différentes formes de macrophytes ... 8

Figure 2: Jacinthe d’eau (Eichhornia crassipes) ... 11

Figure 3: Principaux processus de transformation et d’élimination du carbone dans les systèmes d’épuration des eaux usées (Reddy et d’Angelo, 1996 cité par Kengne, 2000) ... 19

Figure 4: Principaux processus de transformation de l’azote dans les systèmes d’épuration des eaux usées (Reddy et d’Angelo, 1996 cité par Kengne, 2000) . 21 Figure 5: Principaux processus de transformation du phosphore dans les systèmes d’épuration des eaux usées (Reddy et d’Angelo, 1996 cité par Kengne, 2000) ... 22

Figure 6: Situation Géographique du Centre Universitaire d’Abomey-Calavi . 34 Figure 7: Evolution de la pluviométrie, de l’ETP et de la température à Abomey-Calavi en 2011. Source Akowanou (2012) ... 35

Figure 8 : Vue en trois dimensions de la station pilote de traitement des eaux usées ... 38

Figure 9: station pilote de traitement des eaux usées ... 39

Figure 10 : L’évolution du pH dans les bassins d’expérimentation ... 54

Figure 11: L’évolution de la conductivité dans les bassins d’expérimentation . 55 Figure 12 : L’évolution de la température dans les bassins d’expérimentation ... 56

Figure 13: L’évolution de la turbidité dans les bassins d’expérimentation ... 57

Figure 14 : L’évolution de l’éclairement lumineux dans les bassins à 9 h ... 58

Figure 17 : L’évolution de la DCO dans les bassins d’expérimentation ... 60

Figure 18 : L’évolution de la DBO₅ dans les bassins d’expérimentation ... 60

Figure 19: L’évolution des MES dans les bassins d’expérimentation ... 61

Figure 20: L’évolution de l’azote global dans les bassins d’expérimentation ... 62

Figure 21 : L’évolution du phosphore dans les bassins d’expérimentation ... 62

Figure 22 : L’état du BS N°1 à neuf jours ... 66

Figure 23 : L’état du BS N°2 à 21 jours ... 66

Figure 24 : L’état du BS N°3 à 21 jours ... 66

Figure 26: L’évolution du pH dans les bassins d’expérimentation ... 68

Figure 27 : L’évolution de la conductivité dans les bassins d’expérimentation 70 Figure 28 : L’évolution de la température dans les bassins d’expérimentation 71 Figure 29 : L’évolution de la turbidité dans les bassins d’expérimentation ... 71

(14)

présenté et soutenu par Albant SAGBO xiii

Figure 30 : L’évolution de la DCO dans les bassins d’expérimentation ... 73

Figure 31 : L’évolution de la DBO₅ dans les bassins d’expérimentation ... 73

Figure 32 : L’évolution des MES dans les bassins d’expérimentation ... 75

Figure 33 : L’évolution des P-PO₄^3- dans les bassins d’expérimentation ... 76

Figure 34 : L’évolution de l’azote global dans les bassins d’expérimentation .. 77

Figure 35 : Le jour d’insertion des jacinthes d’eau Figure 36 : Etat du bassin à pH 9 le 7 ^ième jour ... 82

Figure 37 : Etat du bassin à pH 5 le 21^ième jour Figure 38 : Etat du bassin à pH 6 le 21^ième jour ... 82

Figure 39 : Etat du bassin à pH 7 le 21^ième jour ... 83

Figure 40 : Etat du bassin à pH 8 le 21^ième jour Figure 41 : Etat du bassin à pH 9 le 21^ième jour ... 83

(15)

présenté et soutenu par Albant SAGBO xiv

Abréviations et sigles

BA : Bassin Anaérobie

BS : Bassin d’Expérimentation C_F : Coliformes fécaux

CTPEA : Centre Technologique Pratique pour Eau potable et Assainissement CTOM : Centre de Traitement des Ordures Ménagères

CUAC : Campus Universitaire d’Abomey-Calavi Cv : Coefficient de variation

DBO₅ : Demande Biochimique en Oxygène après 5 jours DCO : Demande Chimique en Oxygène

DHAB : Direction de l’Hygiène et de l’Assainissement de Base EAA : Eau et Assainissement pour l’Afrique

EH : Equivalent habitant EH : Potentiel redox

EIER : Ecole Inter-Etats d’Ingénieurs de l’Equipement Rural EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi

ERU : Eaux Résiduaires Urbaines EU : Eaux Usées

EUD : Eaux Usées Domestiques FS : Fosse Septique

IITA : Institut International d’Agriculture Tropicale LSTE : Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau

MEHU : Ministère de l’Environnement de l’Habitat et de l’Urbanisme

MERPMEDER: Ministère de l’Energie, des Recherches Pétrolières et Minières, de l’Eau et du Développement des Energies Renouvelables

MES : Matières En Suspension M.O. : Matière Oragnique

MSP : Ministère de la Santé Publique NG : Azote Global

N-NH₄⁺ : Azote ammoniacal N-NO₂^-: Azote nitreux N-NO3- : Azote nitrique NTK : Azote Total Kjeldhal

NTU : Unité de Turbidité Néphélométrique O₂ : Oxygène dissous

OMD : Objectifs du Millénaire pour le Développement ONG : Organisation Non Gouvernementale

(16)

présenté et soutenu par Albant SAGBO xv

PED: Pays en Développement PVC : Polyvinyle de chlorure PI : Pays Industrialisés

pH : Potentiel d’Hydrogène P-PO₄^3- : Orthophosphates

RH : Pouvoir oxydant ou réducteur STEP : STation d’EPuration

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

χ : Conductivité

(17)

présenté et soutenu par Albant SAGBO 1

Introduction

L’assainissement, la protection de l’environnement et l’approvisionnement en eau potable, sont des facteurs de développement ; ils sont indispensables à la bonne santé et à l’épanouissement des êtres vivants.

Malheureusement, dans la plupart des Pays En Développement (PED), le Bénin y compris, l’assainissement des eaux usées ne bénéficie que d’un intérêt limité et ne constitue pas une priorité ni pour les pouvoirs publics ni pour les populations (MERPMEDER, 2007). Le Bénin, depuis son indépendance, n’a pas encore un système fonctionnel et durable de gestion de l’assainissement des agglomérations.

L'évolution démographique rapide que connait le Benin, soit de 6.769.914 en 2002, à environ 8.000.000 en 2012, puis 10.000.000 prévue en 2015 d’après l’INSAE, entraîne un accroissement conséquent des volumes d'Eaux Usées Domestiques (EUD) rejetées par les usagers (Akowanou, 2012). L'enjeu est désormais de taille car il faudra résoudre en même temps les questions relatives à la collecte des eaux usées, à leur traitement et envisager leur réutilisation saine, sans risque, pour faire face à la rareté de la ressource en eau. Cependant le système qui serait le mieux adapté pour l’épuration des eaux usées dans les pays tropicaux devrait prendre en compte les conditions climatique, sociale, politique et économique (Koné 2002) étant donné que les systèmes conventionnels d’épuration des eaux usées ont échoués dans ces pays (Agendia, 1995 ; Denny, 1996).

L’utilisation des systèmes naturels en général, et plus spécifiquement ceux exploitant les plantes aquatiques, se présente aujourd'hui comme une alternative viable pour l’épuration des eaux usées dans les PED (Nas, 1976 ; Radoux, 1993

; Agendia, 1995 ; Denny, 1996 ; Koné, 2002). Leur fonctionnement repose sur la complémentarité existant entre les micro-organismes dégradant les matières organiques (M.O.) présentes dans l’eau et les plantes aquatiques qui créent d’un microclimat favorable à l’action microbienne et absorption des nutriments simples issus de la dégradation des M.O. (Kawai et al., 1987 ; Wolverton 1987 ; Brix, 1991).

Le lagunage à macrophytes (ou plantes aquatiques de grande taille) est un des procédés exploitant les plantes aquatiques pour le traitement des eaux usées domestiques. Il s’appuie sur les propriétés intrinsèques des plantes aquatiques pour l’élimination des polluants des eaux usées (Kengne, 2000). Ces plantes sont immergées ou émergées, enracinées ou non, telles que les roseaux, les massettes, les joncs, les scirpes, les lentilles d'eau ou les jacinthes d'eau etc… La

(18)

jacinthe d’eau est reconnue surtout par son grand pouvoir de fixation d’éléments polluants et potentiels protéiques et antioxydants élevés (Bodo et al., 2006). Par les travaux de Mand et al. (1992), il parait évident que, la jacinthe d’eau ait une forte capacité d’adaptation, même sous climat tropical et de réelles performances épuratoires, avec la production considérable de biomasse.

La capacité de la jacinthe d’eau à éliminer les polluants est influencée par un certain nombre de facteurs, notamment le type de plante choisie, les activités bactérienne, planctonique, algale et fongique, la nature du substrat, le temps de rétention, les facteurs environnementaux tels que la température et le pH de l'eau, la salinité, la charge organique entrante, pour ne citer que ceux-ci (Usepa, 1990). Ces facteurs peuvent bloquer la germination des graines. Une exposition de la jacinthe d’eau à une température très basse pendant 24 h d’affilée peut conduire à la mort de ces macrophytes (Sooknah & Wilkie, 2004). Stephenson et al., (1980) ont montré que la croissance maximale de la jacinthe est observée à des températures de 20°C et 30°C et elle est inhibée quand ces dernières se retrouvent entre 8°C et 15°C. Akowanou (2012) est arrivé à conclure que les valeurs de pH comprises entre 6,2 et 6,9 sont caractéristiques d’un milieu oxydant favorable à la dégradation biologique des matières polluantes par la jacinthe d’eau.

Sur une station de traitement des eaux usées à macrophytes flottants (la jacinthe d’eau par exemple), il est évident que l’on pourrait assister à une fluctuation de la température et du pH de l’effluent à traiter. Il est alors important, au regard de l’importance de ces paramètres sur les performances des procédés intégrant la jacinthe d’eau, de prévoir des études comparatives dans des conditions réelles d'exploitation. Quelles seraient alors les conséquences qu’engendreraient les fluctuations de température et du pH sur le fonctionnement de la station d’épuration? Et c’est sur cette ligne d’action, que s’engage cette étude portant sur effet de l’ensoleillement et du pH sur la capacité épuratoire de la jacinthe d’eau et la production de la biomasse végétale.

L’efficacité du lagunage par la jacinthe d’eau dans notre pays pour le traitement des eaux usées domestiques n’est plus à démontrer il suffit maintenant d’aller voir l’influence qu’ont le soleil à travers la température, l’intensité lumineuse et le pH sur la jacinthe d’eau dans le traitement à lagunage. Et ceux à cause de la variation des saisons au cours de l’année ainsi que l’entrée de plus en plus remarquée de ce système de traitement dans la dynamique de la décentralisation.

Notre document en dehors de l’introduction, de la conclusion et des perspectives est structuré en trois parties. La première partie présente la

(19)

synthèse bibliographique effectuée sur le lagunage à macrophytes flottants.

La deuxième partie met en exergue le matériel et les méthodes utilisés dans le cadre de notre étude. La troisième partie montre les différents résultats ainsi que les discussions y afférentes. Nous terminerons par la conclusion, et les perspectives.

Objectif général

L’objectif général de ce travail est de déterminer l’influence de l’éclairement lumineux et du pH sur la jacinthe d’eau dans le traitement des eaux usées par lagunage.

Objectifs spécifiques Il s’agit spécifiquement de :

 Caractériser les effluents d’une station pilote d’épuration (STEP) ;

 Varier l’éclairement lumineux et le pH au niveau des bassins d’expérimentation afin de voir leur influence sur les performances épuratoires de la jacinthe d’eau (Eichhornia crassipes Mart. Solms-Lamb) ;

 Comparer les concentrations des paramètres mesurés aux normes de rejet en vigueur en République du Bénin.

(20)

Rédigé par SAGBO Albant 4

1

^ième

Partie :

SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

(21)

CHAPITRE 1: PRESENTATION DU LAGUNAGE A MACROPHYTES FLOTTANTS

Les pesanteurs économiques et techniques conduisent souvent les Pays en Développement (PED), vers le choix des solutions extensives pour le traitement des Eaux Usées Domestiques (EUD) (Koné, 2002). Ces solutions sont des procédés d’épurations dans lesquels la concentration en organismes épurateurs est faible (Degremont, 2005). De plus, ce sont des systèmes de traitement des EUD peu coûteux, simples, et qui ne demandent pas une grande technicité pour leur maintenance et leur suivi. La plus connue de ces solutions extensives de traitement des EUD est le lagunage. C’est un procédé de traitement écologique des eaux usées, qui utilise un matériel végétal – animal (plantes - micro- organismes). Ce procédé présente de bons rendements, et constitue une très bonne option technologique de gestion des EUD en Afrique Sub-Saharienne (Koné, 2002 ; Effebi, 2009). Une autre forme du lagunage est le lagunage à macrophyte, où les plantes aquatiques sont utilisées pour l’élimination des polluants des eaux usées. Tout comme les autres procédés de traitement des EUD, il présente des spécificités en ce qui concerne son fonctionnement qu’il est nécessaire de bien appréhender avant toute utilisation, en tant que procédé de traitement des EUD.

Ce chapitre est une introduction au lagunage à macrophytes flottants. Il présente la définition et l’historique du lagunage à macrophytes flottants, la définition et la classification des macrophytes, lesespèce des macrophytes étudiées et leurs performances épuratoires, les avantages et inconvénients ainsi que les limites du lagunage à macrophytes flottants.

1.1. Définition et historique du lagunage à macrophytes flottants 1.1.1. Définition

Les systèmes d’épuration des eaux usées par les macrophytes (ou plantes aquatiques de grande taille) sont des dispositifs dans lesquels les plantes jouent un rôle prépondérant dans l’élimination des polluants (Brix, 1991). Ils sont constitués d’un bassin ou d’un ensemble de bassins peu profond(s), rempli(s) ou non avec un substrat (généralement du sol ou du gravier) supportant le plus souvent une végétation tolérante aux conditions de saturation du milieu en eau (Usepa, 1990). Ils sont souvent désignés sous les vocables de lagunage à macrophytes, de marais construits, de marécages artificiels ou encore de systèmes de traitement des eaux usées par les plantes aquatiques (Radoux, 1982;

Jensen, 1988; Charbonnel, 1989; Brix 1991; Vyzamal et al., 1998).

(22)

1.1.2. Historique

Le lagunage comme méthode scientifique de traitement des eaux usées domestiques fut découvert aux USA dès le début du XX^e siècle, mais le dimensionnement est proposé vers 1948.

Les investigations pionnières sur l’utilisation des macrophytes pour l’épuration des eaux usées datent de 1946 et sont attribuées au Dr Kathie Seidel et collaborateurs du Max Planck Institute d’Allemagne (Radoux, 1980 ; Kengne, 2000). Toutefois, ce n’est que dans les années 1960-1970, avec les travaux de Yount, Sheffield, Boyd, Steward, Seidel, Wolverton, que le rôle de ces macrophytes dans l’amélioration de la qualité des eaux a été universellement reconnu (Wolverton, 1987,). La première conférence sur le contrôle biologique de la pollution des eaux qui a eu lieu en 1976 à l’Université de Pennsylvanie (USA) a permis la mise au point des premiers concepts régissant ce type de traitement (Tourbier & Pierson, 1976, cité. Wolverton, 1987). Cette conférence fut suivie par une autre en 1979, marquée cette fois par l’introduction de l’ingénierie dans l’amélioration des procédés naturels de traitement des eaux usées. Depuis lors, de nombreux travaux portant sur cette technologie ont vu le jour dans de nombreux pays, notamment en Amérique et dans les pays européens dans le but de maîtriser le lagunage (Vyzamal et al., 1998).

En Afrique, l’utilisation des systèmes naturels d’épuration des eaux usées date des années 1970, mais ceux-ci demeurent encore largement sous représentés par rapport aux systèmes conventionnels (Uade/OIESeau, cit. Morel, 1996). Le lagunage a été introduit en Afrique de l’Ouest et du Centre avec l’aide des agences françaises et suisses de coopération et d’aide au développement (Koné, 2002). La plus ancienne des stations de lagunage est celle de SalyPortudal (Sénégal), étudiée et construite en 1977. Pendant la décennie 80, des stations telles que celles de Louga (Sénégal), Saint Louis (Sénégal), Yaoundé (Cameroun) et de Ouagadougou (Burkina-Faso) ont été mises en service. Beaucoup d’autres constructions de stations de traitement des EUD par le procédé de lagunage furent construites par la suite.

Au Cameroun, l’utilisation des plantes aquatiques pour l’épuration des eaux usées remonte dans les années 1985-1986 avec la construction des stations pilotes de lagunage à macrophytes à Roumde Adjia (Garoua) et à Biyem-Assi (Yaoundé) (Simo et al., 1988). Les travaux de Agendia et collaborateurs (1987) pendant plus d’une décennie ont permis de tester les capacités épuratoires de nombreuses plantes aquatiques parmi lesquelles Pistia stratiotes L., Enydra fluctuans Lour., Hydrocotyle ranunculoides L. f. et Cyperus papyrus L. se sont

(23)

avérées être les plus efficientes dans l’élimination des polluants. Pistia stratiotes, en raison de sa bonne capacité d’accumulation des polluants, de sa gestion facile et de la facilité de recyclage de sa biomasse en compost a été retenue comme la principale plante exploitée dans ce système (Agendia, 1987; Valet & Agendia, 1987 ; Agendia, et al., 1988 ; Agendia, 1996 ; Agendia et al., 1996).

Au Bénin, des essais de lagunage à macrophytes à petite échelle ont été effectués au Centre de Traitement d’Ordures Ménagères (CTOM) et au Collège Père Aupiais (Kpondjo, 2011). Deux expérimentations de lagunage à macrophytes flottants ont été aussi effectués très récemment au CTPEA de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) l’un effectué par (Kpondjo, 2011et Akowanou, 2012) grâce à des mini stations. Cependant, aucune station de traitement des eaux usées domestiques par lagunage à macrophytes à plus grande échelle n’existe actuellement pas dans notre pays.

1.2. Définition et Classification des systèmes naturels d’épuration par macrophytes

1.2.1. Définition

Le terme « macrophyte » possède des définitions variées, selon les auteurs et les époques. Nous retiendrons cependant sur le modèle de la norme européenne EN 14184, que le terme « macrophyte » désigne toutes les plantes aquatiques visibles à l’œil nu, dont les plantes vasculaires, les bryophytes et les algues macroscopiques (Känel et al., 2009). Les macrophytes flottants sont alors des plantes aquatiques, visibles à l’œil nu, dont le système racinaire flotte librement.

1.2.2. Classification

D’après Kengne Noumsi (2000), et Bodo et al. (2006), plusieurs macrophytes sont exploitées dans les systèmes naturels d’épuration des eaux usées ; ce qui rend difficile leur classification (Usepa, 1990 cité par Kengne Noumsi, 2000). Les principales espèces de plantes utilisées dans le traitement des eaux usées sont des plantes de marais. Les macrophytes sont généralement classés en fonction de leur inféodation à l’eau (Janauer & Dokulil, 2006). On distingue ainsi :

- les hydrophytes, qui sont des végétaux qui développent la totalité de leur appareil végétatif sous l’eau ou, au moins, à sa surface ;

(24)

- les hélophytes qui sont des végétaux qui développent des appareils végétatifs et reproducteurs aériens, alors que leur appareil souterrain se trouve dans un substrat gorgé d’eau.

Quant aux systèmes naturels d’épuration par macrophytes, nous retiendrons la classification de Brix (1991) qui les subdivise en quatre (4) catégories suivant leur mode de croissance comme suit:

 les systèmes d’épuration des eaux usées à macrophytes flottants ;

 les systèmes d’épuration des eaux usées à macrophytes émergents ;

 les systèmes d’épuration des eaux usées à macrophytes entièrement immergés ;

 les systèmes combinés suivant que les plantes utilisées soient flottantes, émergentes, entièrement immergées ou lorsque les différents types de plantes sus citées sont utilisées en association dans le même site.

Figure 1 : Présentation des différentes formes de macrophytes

Source : Brix (1991), cité par Kengne (2000)

Légende : a = macrophytes flottants ; b = macrophytes émergents (écoulement d’eau en surface) ; c = macrophytes émergents (écoulement d’eau dans le sol) ; d = macrophytes immergés.

(25)

1.2.2.1. Systèmes d’épuration par macrophytes flottants

Les plantes exploitées ici ont un système racinaire flottant librement dans l’eau (Fig. 1). La plupart de ces stations d’épuration des eaux usées exploitent la Pontederiaceae Eichhornia crassipes. Toutefois, les espèces telles que Pistia stratiotes, Salvinia sp., Ipomoea aquatica, Enydra fluctuans, Hydrocotyle umbellata et certaines Lemnaceae (Lemna, Spirodela, Wollffia) sont également exploitées (Charbonnel, 1989; Agendia, 1995; Crites & Tchobanoglous, 1998).

Ces plantes sont très productives, surtout lorsqu’elles poussent dans des eaux eutrophes. Leur mode de reproduction dans ces milieux se fait généralement par voie asexuée (stolonification), permettant ainsi une rapide propagation et une colonisation des surfaces libres (Gopal, 1987). La productivité peut atteindre, comme c’est le cas pour E. crassipes, jusqu’à 800 kg de matières sèches par hectare et par jour (Wolverton & Mcdonald, 1976, cités par Nas, 1976). Des récoltes périodiques sont généralement nécessaires, afin d’éliminer les polluants absorbés ou les débris piégés au niveau des racines.

En effet, ces plantes se caractérisent par un recyclage rapide des nutriments absorbés.

Les plantes flottantes peuvent être utilisées dans le cadre d’une épuration tertiaire (élimination des éléments minéraux) ou secondaire (élimination de la demande biochimique en oxygène) des effluents domestiques ou industriels (Brix, 1991). Bien gérés, de tels systèmes peuvent permettre d’obtenir des effluents dont les concentrations en demande biochimique en oxygène après (DBO5) et en matières en suspension (MES) sont inférieures ou égales à 30 mg/l (Jensen, 1988).

1.2.2.2. Systèmes d’épuration par macrophytes émergents

Dans ces systèmes, les plantes utilisées sont enracinées dans le substrat (sol, gravier ou autre milieu) et émergent à la surface de l’eau (Fig. 1b,c). Parmi les plantes couramment utilisées, on retrouve Phragmites australis, Typha latifolia, Echinocloa sp., Cyperus papyrus, Scirpus lacustris, Sparganium emersum, Juncus spp., Glyceria spp., Zizania aquatica,… (Wolverton, 1987 ; Brix, 1991 ; Boutin et al., 1997 ; Vyzamal et al., 1998).

Ces plantes peuvent aussi bien être utilisées dans les systèmes à écoulement d’eau en surface. Ces systèmes peuvent servir dans le cadre d’une épuration tertiaire ou secondaire avec des performances épuratoires comparables à celles des systèmes exploitant les plantes aquatiques flottantes. Toutefois, la

(26)

fréquence de récolte des plantes est très réduite ici car elles sont capables de retenir un peu longtemps les éléments minéraux absorbés (Brix, 1996).

1.2.2.3. Systèmes d’épuration par macrophytes immergés

Les plantes utilisées dans ces systèmes sont fixées dans le substrat et leurs appareils végétatifs n’émergent pas hors de la surface de l’eau (Fig. 1d).

Parmi les espèces les plus couramment utilisées, l’on retrouve Potamogeton pectinalis, Ceratophyllum demersum, Elodea canadensis, Myriophyllum heterophyllum, Hydrilla verticilata, Cabomba caroliniana, Elodea nutalli, (Vyzamal et al., 1998). Les plantes entièrement immergées croissent bien de préférence dans des eaux à forte teneur en oxygène dissous (Brix, 1991). Par conséquent, elles ne peuvent pas être utilisées avec efficacité pour l’épuration des eaux à forte charge organique puisque la décomposition de la matière organique par les micro-organismes crée des conditions anoxiques. Les systèmes exploitant ce type de plantes sont surtout utilisés pour l’affinage des effluents ayant subi préalablement un traitement secondaire. Leur présence diminue la teneur en CO₂ dissous dans l’eau pendant les périodes de fortes activités photosynthétiques, permettant ainsi d’accroître le pH (Brix, 1991). Mezrioui (1987) signale que l’augmentation du pH dans les stations d’épuration est la création des conditions optimales de volatilisation de l’ammoniaque, de précipitation du phosphore ainsi qu’une élimination plus importante des germes pathogènes.

1.2.2.4. Systèmes d’épuration combinés

Dans ce système, les différents types de plantes sus-mentionnées sont combinés entre eux ou en association avec les systèmes conventionnels d’épuration des eaux usées. En guise d’exemple de système combiné, on pourrait avoir tout d’abord une clarification mécanique pour le traitement primaire, suivie d’une utilisation des macrophytes flottants ou émergents pour le traitement secondaire, et enfin des bassins contenant des macrophytes flottants, émergents ou immergés dans le cadre du traitement tertiaire. L’utilisation de ce type de système dépendra des caractéristiques de l’effluent, du climat ou de l’espace de terrain disponible. Un tel type de système est constitué de petites unités comportant différents types de plantes, de substrat, de configuration.

1.3. Jacinthe d’eau et performances épuratoires

La jacinthe d’eau (Eichhornia. Crassipes Mart. Solms-Laub), est une espèce que l’on retrouve facilement dans nos écosystèmes naturels. Originaire

(27)

du bassin amazonien, la jacinthe d’eau pour ses vertus ornementales, a été introduite en Asie et en Afrique comme plante ornementale. Malheureusement, sa capacité de développement très élevée en a fait très rapidement un fléau dans toutes les régions tropicales et subtropicales de ces continents, tant sur le plan écologique (asphyxie de plans d'eau, cours d'eau et rivières) que sur le plan social et économique (obstruction de canaux d'irrigation, obstacle à la navigation fluviale, etc.). Elle est, introduite pour la première fois en Afrique (Egypte et Afrique du Sud) à la fin des années 1800 (Center et al., 2002 cité par MAMA 2010). Sa présence sur les plans d’eau béninois a été notée pour la première fois en 1977 (Van Thielen et al., 1994 cités par Tossou, 2004). C’est une plante vasculaire d’eau douce à pétiole très long (5 cm de diamètre et 30 à 50 cm de longueur), qui flotte à la surface des eaux. Les feuilles d’un vert luisant forment la base de la fleur et s’attachent aux pétioles gonflés d’air. Sous cette architecture, se trouve le système racinaire, qui permet à la plante de capter les nutriments nécessaires à sa croissance dans l’eau (Wilson, 2005). C’est cette capacité qui est exploitée dans le traitement des eaux usées (Kpondjo, 2008). Un des pétales porte habituellement une tache jaune d’or, encadrée par une ligne bleue (Dagno et al., 2007). Pour bénéficier au maximum de la lumière solaire, les jacinthes d’eaux changent de formes. Elle fait partir des espèces les plus utilisées, à côté du jonc et des roseaux dans le traitement des eaux usées à macrophytes (Oueslati et al., 2000).

1.3.1. Présentation de la jacinthe d’eau

Classification botanique :

- Règne : Végétal - Embranchement : Phanérogames - Sous-Embranchement : Angiospermes - Classe : Monocotylédone

- Sous-Classe : Arecidae - Ordre : Liliale

- Famille : Pontederiaceae - Genre : Eichhornia

- Espèce : crassipes Mart. Solms-Laub.

Figure 2: Jacinthe d’eau (Eichhornia crassipes)

Source : Sagbo (2013)

(28)

La croissance de la jacinthe d'eau est réellement extraordinaire. Elle peut avoir une production en poids frais de 7% par jour. La jacinthe d'eau se reproduit sexuellement ou végétativement. Les semences atteignent la maturité en 20 jours. La viabilité peut être de 15 ans. La reproduction végétative est un facteur important dans la productivité de cette plante (FAO, 1997). La tige immergée peut être libre ou enracinée dans la vase par un rhizome. Les racines sont noires ou mauves, pendantes, longues et se situent au-dessous de la rosette formée par les feuilles à la base des nœuds. Les racines portent de nombreux poils absorbants. Les feuilles ont en général de longs pétioles spongieux aérifères pouvant être renflés au milieu (flotteurs). La plante présente deux types de feuilles : Les feuilles immergées linéaires et sessiles, et les feuilles émergées largement ovales et orbiculaires. D'une manière générale les feuilles sont lisses sur les deux faces et portent de nombreuses nervures ellipsoïdales sur la face inférieure. Les fleurs sont groupées en une inflorescence terminale. Celle-ci est formée d'un axe sur lequel s'insèrent des pédoncules courts se terminant chacun par une fleur. L'inflorescence compte environ 8 à l0 fleurs bleu - claires ou violettes éclatantes. Elles sont soudées en un tube à la base et s'étalent ensemble en deux lèvres.

1.3.2. Multiplication de la jacinthe d’eau

La jacinthe d’eau est une plante pérenne à croissance indéterminée.

L’intensité de croissance de la plante est déterminée soit par évaluation de la surface de l’eau couverte durant une période donnée, soit par évaluation de la densité ou du poids des plantes par unité de surface (EPA, 1988). Dans les sites naturels de la jacinthe d’eau, cette densité est relativement faible (10 kg/m² en poids frais), tandis que dans les régions d’infestation, elle atteint 60 kg/m² (Gopal, 1987). La croissance maximale de la jacinthe d’eau est observée à entre 20°C et 30°C. Par contre, cette croissance est inhibée à 8°C et15 °C (Stephenson et al., 1980). La jacinthe d’eau possède deux modes de multiplication. La multiplication asexuée ou végétative et la multiplication sexuée ou par les semences.

La multiplication de la jacinthe d’eau s’effectue principalement par voie végétative (filiations) et sa forte prolifération pourrait être expliquée par la « non inhibition » des bourgeons axillaires et l’absence d’ennemis naturels dans les zones envahies. Aussi les aménagements hydrauliques sur les cours d’eau favoriseraient également sa croissance (EPA, 1988). La propagation végétative est très importante dans les nouveaux sites d’infestation. Les nouvelles plantes sont produites à partir de l’élongation de stolons due à la division des

(29)

méristèmes axillaires de la plante mère (Center et al., 2005). Les clones très fragiles restent fixés à la plante mère par le stolon puis se détachent sous la pression des courants d’eau, permettant à de nouveaux individus de coloniser d’autres zones (Wilson et al., 2005). Selon Babu et al. (2003), dix plants en huit mois peuvent produire 655330 individus, soulignant ainsi le potentiel invasif de la plante. Holm et al. (1977) ont obtenu 30 clones à partir de 2 plantes mères en 23 jours. Le taux de croissance (ou la biomasse) de la jacinthe peut être déterminé par l’équation suivante : Nt = N₀ ×X_t, où N₀ est le nombre de plant au temps T₀ et N_t le nombre de plants obtenus à la fin du temps T, X est le taux de croissance par jour (Gopal, 1987). Quant à la multiplication sexuée, selon Gopal (1987), il est rare de trouver dans les zones d’introduction des graines sur la jacinthe. Gopal (1987) a rapporté que Parija (1934) a été le premier à observer des graines de la plante en Inde. Les graines ont été considérées comme le principal facteur de multiplication de la plante au Sri Lanka et la présence de fruits mûrs y a été observée entre mai et décembre (Gopal, 1987) et la floraison dure environ 15 jours (Center et al., 2002). Malgré une quantité élevée de graines produites (200-300), seulement un maximum de 34 graines sont viables par capsule (Wilson et al., 2005). Elle produit des graines en grande quantité (5 000 graines par plant) et à temps de dormance long (quinze à vingt ans) : dispersées par l’eau ou le vent, les graines résistent à une longue sécheresse et germent dès qu’elles sont immergées.

La jacinthe d’eau a un fort taux de croissance (la surface couverte double en six à dix-huit jours à 18°C) et une forte productivité (200 tonnes de masse sèche par hectare et par an, dans des conditions optimales). C’est une espèce très compétitive vis-à-vis des autres espèces végétales aquatiques et ses ennemis naturels sont absents dans les écosystèmes colonisés. Elle supporte une grande gamme de conditions environnementales ; seuls le froid et la salinité constituent des contraintes empêchant sa prolifération. Ses caractéristiques biologiques (reproduction, croissance) et son adaptation à une grande diversité de milieux, notamment les zones humides polluées, font ainsi de cette espèce introduite une espèce invasive.

1.3.3. Performances épuratoires

La jacinthe d’eau par son métabolisme (absorption des nutriments, libération d’oxygène), d’eau favorise énormément les processus d’épuration des eaux usées. Cette plante a selon Kengne (2000) une capacité d’absorption de l’ordre de 350 kg P.ha-1.an-1 et sa capacité de libération de l’oxygène par les racines dans la rhizosphère varie de 2,4 à 9,6 gm-2.j-1. Ceci, ajouté à la

(30)

réduction de la vitesse d’écoulement des eaux entraînée par sa présence dans le milieu, favorise la sédimentation des particules ; il n’y a rien donc d’étonnant que cette plante soit identifiée par plusieurs auteurs comme l’une des meilleures espèces de macrophytes flottants en matière de traitement des EUD (Polprasert et Khatiwada, 1998). Pour plusieurs auteurs (Kengne ,2000 ; Nya et al., 2002, Aina et al., 2012 ; Akowanou, 2012), cette plante assure un très bon abattement de la DCO et de la DBO₅. Orth et Sapkota (1986) ont découvert lors d’une comparaison entre un bassin facultatif contenant la jacinthe d’eau et un autre n’en contenant pas, que l’introduction de la jacinthe d’eau a augmenté de plus de 50% l’abattement de la DCO dans le bassin. Une étude réalisée au Maroc par Ouazzani et al. (1995) a montré une réduction de 78% de DCO au niveau des bassins à jacinthe d’eau. Pour Aquadev (2001), un système de lagunage à jacinthe d’eau après un prétraitement a donné des abattements de MES 91% ; DBO5 72% ; NTK 29% avec des eaux usées domestiques. Jianbo et al (2007) présentent comme performance d’une station de traitement à jacinthe d’eau une réduction de 64,44% de la DCO, 21,78% d’azote total et 23,02% de phosphore total. Les travaux de (Kawai et al., 1987) au brésil et de (McDonald et Wolverton, 1980 ) aux Etats-Unis cités par Akowanou, (2012) ont quant à eux montrés que le rendement en matière de réduction des pollutions de bassins contenant la jacinthe d’eau était de 20% meilleurs à ceux ne contenant pas de plantes. Plusieurs auteurs s’accordent donc pour affirmer à la suite de leurs travaux que les bassins contenant la jacinthe d’eau présente de bonnes performances en matière d’élimination de la charge organique. Les jacinthes d’eau sont aussi utiles dans l’élimination des germes pathogènes en servant de surface d’attache. L’élimination des germes pathogènes dans les bassins à jacinthe d’eau dépend des facteurs environnementaux et climatologiques (Mayo

& Kalibbala, 2007).

1.4. Avantages-Inconvénients du lagunage à macrophytes 1.4.1. Avantages

Pour Koné, (2002) ; Maiga et al., (2006) ; UNESCO, (2008) ; Effebi, (2009), le lagunage à macrophytes flottants présente plusieurs avantages permettant sa mise en œuvre de façons efficace et durable, notamment :

 sa grande simplicité de fonctionnement : la réalisation des ouvrages suivant la topographie aux eaux usées de s’écouler gravitairement à travers un ou plusieurs bassins. Durant ce parcours, les processus physico-chimiques et biologiques (sédimentation, filtration, adsorption, volatilisation, précipitation,

(31)

réactions d'hydrolyse et d’oxydo-réduction, réactions photochimiques, métabolisme bactérien, absorption par les plantes) concourent à la purification de l'eau ;

 il ne requiert pas une source d’énergie, ni une main d'œuvre qualifiée ;

 il ne nécessite pas des coûts d'installation et d'entretien élevés lorsque la terre est disponible à moindre coût ;

 il est particulièrement adapté aux zones tropicales où les conditions climatiques favorisent un fonctionnement sans interruption pendant toute l'année;

 la biomasse issue de la récolte des macrophytes peut être réutilisée pour l’agriculture, l’élevage ou la pisciculture ;

 les rendements épuratoires de ce système sont satisfaisants ;

 il est adapté aux petites collectivités.

1.4.2. Inconvénients

Le lagunage à macrophytes flottants, malgré ses nombreux avantages, présente certains inconvénients que voici :

 la réalisation des lagunes nécessite généralement une grande superficie, qui est fonction du nombre d’équivalent habitant que prend en charge la station ;

 les émissions d’odeurs nauséeuses qui peuvent être gérer par la charge à l’entrée et le taux sulfate à l’entrée ;

 la prolifération des insectes et surtout des moustiques ;

 on note aussi une variation saisonnière de la qualité de l’effluent à la sortie des stations, du fait des paramètres environnementaux.

Cependant, les inconvénients du lagunage en général et celui à macrophytes en particulier, peuvent être pour la plupart maîtrisés pour permettre une utilisation judicieuse et efficace de ce procédé de traitement.

1.5. Limite du lagunage à macrophytes flottants

Le pH influence fortement la diversité biologique des lacs. En effet, la majorité des organismes aquatiques ont besoin d’un pH voisin de la neutralité (6-9) afin de survivre. En dehors de cet intervalle, les organismes peuvent subir un stress qui compromettrait certaines de leurs fonctions vitales. Des variations importantes de pH peuvent donc compromettre certaines de leurs fonctions essentielles telles que la respiration et la reproduction. Ainsi, les eaux acidifiées sont caractérisées par un déclin de la diversité biologique. Le pH de l’eau influence la quantité de nutriments (ex: phosphore, azote) et de métaux lourds (ex: plomb, mercure, cuivre) dissous dans l’eau et disponibles pour les

(32)

organismes aquatiques. Dans des conditions acides, certains métaux lourds toxiques se libèrent des sédiments et deviennent disponibles pour l’assimilation par les organismes aquatiques. Le pH des lacs est aussi influencé par l’activité des divers organismes aquatiques. D’un côté, le dioxyde de carbone (CO₂), issu de la respiration des organismes, a un effet acidifiant sur l’eau des lacs.

Toutefois, ce phénomène est en partie compensé par les organismes qui utilisent le CO₂ lors de la photosynthèse, ce qui a pour effet d’augmenter le pH de l’eau (l’eau devient moins acide). Ainsi, le pH d’un lac change tout au long de la journée, car l’équilibre entre la photosynthèse et la respiration des organismes aquatiques varie avec les changements de température et d’intensité lumineuse.

Ainsi, Les systèmes d’épuration à base de macrophytes flottants ont certaines limites, qui sont conjointement fonction des conditions climatiques du milieu ainsi que de la physiologie des macrophytes. Ainsi, des paramètres tels que la température, le pH, la salinité, la luminosité, les faibles concentrations en oxygène dissous, et les fortes concentrations en CO2 dissous influencent fortement et peuvent bloquer la germination des graines (Koné, 2002). Par exemple, une exposition de la jacinthe d’eau ou de la laitue d’eau à une température très basse pendant 24h d’affilée peut conduire à la mort de ces macrophytes (Sooknah & Wilkie, 2004).

1.6

.

Les processus d’élimination des polluants dans les lagunes à macrophytes flottants

Le mécanisme d’élimination des différentes formes de pollutions dans les bassins à macrophytes flottants est basé sur la relation symbiotique entre les plantes et les bactéries du milieu. Les différentes contributions des macrophytes flottants à l’élimination des charges polluantes sont les suivantes :

- Le système racinaire des macrophytes flottants constitue un habitat propice aux microorganismes aérobies et/ou facultatifs responsables de la dégradation des charges polluantes. Cette flore bactérienne importante bénéficie du transport de l’oxygène photosynthétique des parties aériennes des plantes vers les racines.

De plus, ces plantes libèrent des métabolites qui sont utilisés comme sources de nutriments par ces micro-organismes (Kengne, 2000).

- La grande vitesse de reproduction des macrophytes assure une biomasse assez importante et la pérennité du processus de dégradation de la matière organique.

Dans les stations de traitement à macrophytes flottants, la récolte régulière des plantes aquatiques permet d’éliminer les matières en suspension piégées dans les racines, les sels minéraux assimilés ainsi que les éléments nutritifs et les