MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
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UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI
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DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL
OPTION : Sciences et Techniques de l’Eau (STE)
3ème Promotion
RAPPORT DE STAGE POUR L’OBTENTION DU DIPLOME DE LICENCE PROFESSIONNELLE
Réalisé et soutenu par : Innocent O. AHOUANMADJO
Supervisé par : Prof. AINA Martin Pépin
Maitre de Conférences des Universités CAMES
Année académique : 2013-2014
Evaluation de l’influence de la charge polluante des eaux usées domestiques sur la performance des filtres plantés
cas du typha domingensis
Jury:
Président: Dr. Gossou HOUINOU Membres: Dr. Peace HOUNKPE
Ing. Onésime AKOWANOU
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | ii Dédicace
Avec l’aide et la grâce de Dieu, j’ai pu achever avec modestie ce travail que je dédie A mes parents pour leurs sacrifices et amours
durant toutes mes années d’étude
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | iii REMERCIEMENTS
Je voudrais tout d’abord remercier mon superviseur, le Professeur AINA Martin Pépin., Maître de Conférences des Universités CAMES, Chef du Département Génie Civil et Responsable du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau (LSTE) pour m’avoir donné l’opportunité de travailler sur ce sujet, pour son aide régulière et ses précieux conseils tout au long de ce stage. Mes remerciements vont aussi à l’endroit de Mme. Reine qui a accepté nous encadrer.
Nous remercions également toute l’équipe du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau (LSTE) pour leur accueil et leur aide, en particulier Mme Flora AGBOMENOU la technicienne principale du laboratoire, La docteur Mme HOUNKPE WENDEOU Peace ainsi que les doctorantsMme DEGUENON Justine, Mme AZON Nadia, M. DJIHOUESSI Belfrid, M. DAOUDA Mohamed, M. AKOWANOU Onésime et M. DEGAN Arcadiuspour leur temps, leur expertise et leurs conseils.
J’éprouve une gratitude particulière à l’endroit du :
Professeur Félicien AVLESSI, Professeur titulaire des Universités CAMES, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ;
Professeur Clément BONOU, Maître de Conférences des Universités CAMES, Directeur adjoint de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ;
Professeur François de Paule CODO, Ing. Master of Sc., PhD ; Maître de Conférences des Universités CAMES, Chef option Sciences et Techniques de l’Eau ;
Je tiens à remercier tous les professeurs de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi et particulièrement, tout le corps professoral du département de Génie Civil à savoir :
Professeur ADJOVI Edmond, Professeur titulaire des Universités CAMES,
Professeur DEGAN Gérard, Professeur Titulaire des Universités CAMES ;
Professeur GBAGUIDI Aïssè Gérard, Maître de conférences des Universités CAMES, Enseignant-Chercheur à l’EPAC ;
Professeur GBAGUIDI Victor, Maître de Conférences des Universités CAMES, Enseignant-Chercheur à l’EPAC ;
Docteur BACHAROU Taofic, Enseignant-Chercheur à l’EPAC;
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | iv
Feu Docteur DAKPANON Laurent (paix à son âme), Enseignant-Chercheur à l’EPAC;
Docteur GBODOGBE Jean – Claude, Enseignant à l’EPAC,
Docteur HOUINOU Gossou Jean, Maitre-assistant, Enseignant-Chercheur à l’EPAC ;
Docteur TCHEHOUALI Adolphe, Maître Assistant des Universités CAMES, Enseignant-Chercheur à l’EPAC ;
Docteur ZEVOUNOU Crépin, Maître assistant des Universités CAMES, Enseignant-Chercheur à l’EPAC ;
Docteur ZINSOU C. Luc, Enseignant-Chercheur à l’EPAC ;
Docteur ZOGO Dieu-donné, Enseignant-Chercheur à l’EPAC
Ingénieur AGOSSOU Daniel, Enseignant à l’EPAC
Ingénieur AHONONGA Elena, Enseignante à l’EPAC ;
Ingénieur ASSOGBA Maxime, Enseignant à l’EPAC ;
Ingénieur GBAGUIDI Brice, Enseignant à l’EPAC
Ingénieur GUEDENON Eric, Enseignant à l’EPAC ;
Ingénieur SOCLO Wilfrid, Enseignant à l’EPAC ;
Ingénieur ZINSALO Joel, Enseignant à l’EPAC ;
Je ne saurais finir sans adresser mes remerciements à la famille DOSSA, tout particulièrement à Jonathan et à la famille AHOUANDJINOU pour tous les efforts qu’ils ont fournis à mon égard, Longue Vie à vous, Merci.
La liste de personnes ci-dessus, n'étant pas exhaustive, je réclame l'indulgence de toutes celles qui n'y retrouveront pas leurs noms. Je leur assure que leur souvenir restera, toutefois, à jamais gravé dans ma mémoire.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | v
Sommaire
Dédicace ... ii
REMERCIEMENTS ... iii
Résumé ... vi
Abstract ... vii
LISTES DES TABLEAUX ... viii
LISTE DES FIGURES ... ix
LISTE DES PHOTOS ... x
LISTES DES SIGLES ET ABREVIATIONS ... xi
INTRODUCTION ... 1
Partie I: Cadre institutionnel du stage et Généralités sur les filtres plantés... 3
I.1. Présentation de la structure d’accueil ... 4
I.2. Généralités sur l’épuration par les filtres plantés de roseaux ... 7
Partie II: DEROULEMENT DU STAGE ... 17
II.1. Mise en place et suivi des expérimentations ... 18
II.2. Analyse et méthode d’analyse ... 22
Partie III: Résultats et discussions ... 30
III.1. Caractérisation des deux effluents étudiés ... 31
III.2. Abattement ... 32
III.3. Influence ... 34
CONCLUSION ... 36
Références bibliographiques ... 37
ANNEXES ... 39
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | vi Résumé
Les eaux usées domestiques peuvent conduire à une pollution de l’environnement si elles sont rejetées dans la nature sans aucun traitement. Ainsi, de nombreux travaux de recherche ont été effectués sur les technologies biologiques rustiques dont les filtres plantés de roseaux qui permettent de réduire les nuisances que subit le milieu récepteur.
Pour pouvoir apprécier la capacité des filtres plantés de roseaux à traiter les eaux usées à forte charge polluante, nous nous sommes fixés comme objectif général de vérifier l’effet de la charge polluante des eaux usées domestiques sur le développement du typha domingensis. Pour pouvoir atteindre cet objectif, deux pilotes expérimentaux ont été installés. Ces deux pilotes FV1 et FV2 ont été alimentés respectivement par les EUD issues des bassins anaérobie et facultatif du système de lagunage installé au CTPEA après leurs caractérisations. Après le temps de séjour qui est fixé à 4 jours, l’effluent traité a été ensuite caractérisé. L’abattement obtenu sur le premier filtre à écoulement (FV1) se présente comme suit :79% de MES, 75%de DCO, 91% de NGL et 92%de Pt. Quant au deuxième filtre à écoulement vertical (FV2), l’abattement de MES est de 87%, 33% de DCO et 71% Pt. A la fin du traitement des eaux prétraitées par les deux bassins, il a été constaté que les plantes sur le premier filtre (FV1) sont mortes ; ceci est dû à la forte concentration des matières polluantes. Sur le deuxième filtre (FV2), les plantes continuaient à se développer normalement. Ces deux expériences confirment que les charges polluantes ont une influence sur la performance des filtres plantés.
Mots clés : Eaux usées domestiques, traitement, charge polluante, filtres plantés, typha domingensis
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | vii Abstract
Domestic wastewater can lead to a pollution of the environment if they are discharged into nature without any treatment. Thus, many research works were carried out on rustic biological technology of which planted filters of reeds, which make it possible to reduce harmful effects that undergoes the receiving medium. To be able to appreciate the capacity of the filters planted of reeds to treat wastewater highly polluted, we fixed ourselves like general objective to check the effect that the polluting load of domestic waste water has on the development of typha domingensis. In order achieve this goal, two experimental pilots were installed. These two pilots FV1 and FV2 were fed respectively by the EUD from the anaerobic pond and facultative pond of the stabilization system ponds installed to the CTPEA after their characterizations. After the residence time which is fixed at 4 days, the treated effluent was then characterized. The removal rate obtained on the first vertical flow filter (FV1) as follows presents: 79% of MES, 75% of DCO, 91% of NGL and 92%de Pt. As for the second vertical flow filter (FV2), the abatement of MES is de87%, 33%de DCO and 71% Pt At the end of the wastewater, it was noted that the plants on first filter (FV1) died; this is due to the strong concentration of the polluting matters. On second filter (FV2), the plants continued to develop normally. These two experiments confirm that the polluting loads have an influence on the performance of the planted filters.
Key words: Domestic wastewater, treatment, polluants, planted filters, Stabilization system ponds, typha domingensis
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | viii LISTES DES TABLEAUX
Tableau 1: Paramètres physico-chimiques in situ à l’entrée des filtres ... 31 Tableau 2:Paramètres globaux à l’entrée des filtres ... 31 Tableau 3:Paramètres physico-chimiques au laboratoire à la sortie du premier filtre ... 41 Tableau 4:Paramètres physico-chimiques au laboratoire à la sortie du deuxième filtre .... 41 Tableau 5:Paramètres physico-chimiques à l’entrée et à la sortie ... 42 Tableau 6:Paramètres physico-chimiques à l’entrée et à la sortie du deuxième filtre ... 42
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | ix LISTE DES FIGURES
Figure 1. Situation Géographique du Centre Universitaire d’Abomey-Calavi (Dovi, 2011) 5 Figure 2. Situation géographique du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau
(Lste, 2013) ... 6
Figure 3. Coupe transversale d’un filtre à écoulement vertical (Prigent, 2012) ... 14
Figure 4. Coupe transversale d’un filtre planté à écoulement horizontal (CEMAGREF, 2005) ... 14
Figure 5:Pourcentage de DCO et de MES ... 32
Figure 6:Pourcentage d’élimination de NGL ... 33
Figure 7:Pourcentage de réduction du phosphore ... 33
Figure 8:Evolution d’élimination de la concentration en DCO ... 34
Figure 9 : Evolution d’élimination de MES ... 35
Figure 10:Evolution d’élimination du phosphore sur les deux filtres ... 35
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | x LISTE DES PHOTOS
Photo 1 : Vu à l’état naturel Typha Domingensis (Auteur) ... 11
Photo 2: Remplissage du bac ... 19
Photo 3: Aspect du filtre non planté ... 19
Photo 5: Pieds de Typha D. lavés ... 20
Photo 4:Pieds de typha prélevés ... 20
Photo 6:Pieds de Typha Domengensis. 1mois après ... 21
Photo 7:Photo des pieds de Typha Domengensis. après 1mois demi ... 21
Photo 8:Dispositif expérimental (Auteur) ... 29
Photo 10:Aspect de Typha avant l’application de la charge polluante (Auteur) ... 40
Photo 11:Aspect de Typha après le traitement (Auteur) ... 40
Photo 9:Echantillons prélevés (Auteur) ... 40
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | xi LISTES DES SIGLES ET ABREVIATIONS
CEMAGREF : Centre d'Etude du Machinisme Agricole et du Génie Rural des Eaux et Forêts.
CTPEA : Centre Technologique Pratique pour l’Eau et l’Assainissement CUAC : Centre Universitaire d’Abomey-Calavi
DBO5 : Demande Biochimique en Oxygène en cinq jours DCO : Demande Chimique en oxygène
°C : Degré Celsius
EUD : Eaux Usées Domestiques
FPRV : Filtre planté de Roseaux à écoulement Vertical FPRH : Filtre Planté de Roseaux à écoulement Horizontal FV1 : Premier filtre à écoulement vertical
FV2 : Deuxième filtre à écoulement vertical
LSTE : Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau MES : Matière en Suspension
mgO2/L : milligrammeO2/litre MM : Matière Minérale MO : Matière Organique
MMEE : Ministère des Mines de l’Energie et de l’Eau mV: millivolt
NTK: Azote Total Kjeldhal
NTU: Néphélémétric Turbidity Unit µs/cm: micro siemens/centimètre PED : Pays En Développement PSA: Production Santé Animale Pt : Phosphore total
STEP : Station d’Epuration
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 1 INTRODUCTION
L’eau est une ressource indispensable à tous les aspects de la vie de l’homme, des animaux et des plantes (PNE-Bénin, 2006). Les menaces qui pèsent sur l’eau de consommation au Bénin sont liées aux activités humaines qui sont souvent des sources de contamination chimique et bactériologique (Azonnakpo, 2007). Dans les pays en développement, et particulièrement au Bénin, cette situation s’explique surtout par l’inexistence d’une politique adéquate d’assainissement(MMEE, 2007).
Actuellement, en milieu urbain, la gestion des eaux usées domestiques pose d'énormes problèmes car seulement 2 ménages sur 1000évacuent correctement leurs eaux usées (MMEE, 2007). Mais plus de 90% des habitants de la ville de Cotonou continuent de jeter dans la rue, dans la cour ou leur concession les eaux usées (MMEE, 2007). Cette situation constitue une menace pour la santé publique des populations en ce sens que les eaux usées domestiques contiennent les gites larvaires de moustiques et d’autres vecteurs de maladies créant des nuisances. (OMS, 2006)
Pour la résolution de cette problématique de l’assainissement qui se pose avec acuité, il nous faut recourir aux procédés de traitement les mieux adaptés à nos réalités. C’est ainsi que beaucoup d’intérêts ont été portés ces dernières décennies sur la Phytoépuration des eaux usées (DJIWA, 2013).Parmi ces procédés de Phytoépuration, il y a les filtres plantés de roseaux qui sont des procédés innovants susceptibles de répondre de façon adéquate aux préoccupations en termes d’assainissement dans les PED, comme le Bénin. Malheureusement, malgré les conditions climatiques satisfaisantes, permanentes, et de la diversité des espèces végétales existantes, ces pays connaissent très peu ou ignorent tout simplement ces technologies. Pourtant ces technologies présentent d’énormes avantages comparativement aux technologies intensives en termes accessibilités techniques de mise en œuvre et coûts de fonctionnement. Les filtres plantés de roseaux peuvent donc être utilisés pour le traitement des eaux usées urbaines, pluviales, agricoles et industrielles (L. Bensmina-Miméché et al.
,2013). Ils sont récemment expérimentés au Bénin à l’UAC par Déguénon et al. (2012) dans leurs travaux trois différentes espèces de roseaux dont seule typha domingensis s’est avéré la plante la plus efficace. Néanmoins, des interrogations demeurent quant aux performances épuratrices de l’espèce étudiée. En effet, les plantes ont de nombreux rôles et possèdent une capacité épuratoire. Mais, aucune étude n’avait été effectuée pour déterminer les valeurs à partir desquelles l’utilisation de ce roseau ne serait plus adaptée pour le traitement des Eaux Usées Domestiques (EUD).Raison pour laquelle, pour nos travaux, nous nous sommes fixés
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 2 comme objectif général de vérifier l’effet de la charge polluante des eaux usées domestiques sur le développement du typha domingensis.
La présentation de nos travaux s’articule autour des trois parties suivantes :
La première partie concerne la présentation de la structure d’accueil et les généralités sur les eaux usées et les filtres plantés de roseaux
La deuxième partie est relative au déroulement du stage et aux différents travaux effectués
La troisième partie quant à elle présente les différents résultats ainsi que les discussions qui en découlent.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 3
Partie I: Cadre institutionnel du stage et
Généralités sur les filtres plantés
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 4
I.1.
Présentation de la structure d’accueil I.1.1. Statut du LSTELe Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau est une unité de recherche scientifique mis en place dans le cadre du projet NUFFIC/NPT 151. Il a été créé le 26 Juillet 2010 et est dirigé depuis cette date par le Professeur Martin Pépin AINA Maître de Conférences des Universités CAMES. Installé au département de génie civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, c’est un laboratoire de recherche et de prestation de service. Il accueille des étudiants de divers niveaux de formation (Licence Professionnelle, Ingénieur, master DESS, DEA et doctorat) pour leur recherche de fin de formation.
Les domaines de compétences du LSTE sont la mécanique des fluides et le génie des procédés de traitements des eaux (usées et potables), des déchets. A ce titre, il est une référence scientifique en eau et assainissement dont les recherches actuelles sont axées sur :
Les contaminants : l’identification et la caractérisation des sources, le transport et le devenir dans les unités de traitement et dans l’environnement.
La valorisation des déchets solides et des matériaux locaux
La modélisation des écoulements de surface et souterrain, et l’étude des réseaux hydrauliques.
Ces axes sont relatifs à l’utilisation des matériaux locaux dans la conception des procédés de traitement de l’eau comme l’argile pour réaliser les filtres en céramiques, les sons de riz et les noix de coco pour la fabrication du charbon actif, l’insertion des procédés d’oxydation avancée dans l’élimination des polluants comme le procédé d’électrocoagulation, les mécanismes réactionnels dans les réacteurs, la valorisation des plantes aquatiques dans le traitement des eaux usées et l’extraction du potentiel de cette biomasse pour la production du biogaz et du biocarburant, le développement d’une stratégie analytique pour l’étude de la contamination des produits piscicoles par les pesticides utilisés en milieu cotonnier et le transport des contaminants issus des activités agricoles et des décharges dans les sols et aquifères du bassin de l’Ouémé. Face à une gestion intégrée des ressources en eau, le laboratoire s’intéresse également à la résolution numérique, analytique et l’étude expérimentale des écoulements de surface et souterrain, la modélisation des inondations et l’optimisation de schémas d’aménagement pour l’assainissement et l’eau.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 5 Par ailleurs, les services du laboratoire LSTE sont sollicités par plusieurs grandes structures de la place notamment le Ministère de l’Environnement, la SONEB, la DG Eau, l’EAA, le CNERTP, le LERGC, etc.
I.1.2.Localisation du LSTE et organisation du LSTE
Le laboratoire des sciences et techniques de l’eau est situé sur le campus d’Abomey-calavi (figure 2) au département génie civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi. La salle principale de ce laboratoire est mitoyenne à celle mutualisée d’informatique du master CUD- UAC au département de Production et Santé Animale (figure 3).
Le personnel permanent du LSTE est essentiellement composé du responsable principal, des enseignants chercheurs collaborateurs et membres, d’un ingénieur recherche office de technicienne permanente et de doctorants (figure 1). Le responsable est le professeur Martin Pépin AINA et la technicienne principale est l’ingénieur Flora AGBOMENOU ADJAHATODE.
Figure 1. Situation Géographique du Centre Universitaire d’Abomey-Calavi (Dovi, 2011)
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 6 Figure 2. Situation géographique du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau (Lste, 2013)
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 7 I.2. Généralités sur l’épuration par les filtres plantés de roseaux
I.2.1. Eaux usées
Les eaux usées sont des eaux chargées de résidus solubles ou non, provenant des rejets d’une collectivité ou des activités anthropiques (Akowanou, 2012). Les eaux usées sont aussi les eaux qui ont été déjà utilisées et qui doivent être traitées avant son rejet dans le milieu récepteur. On distingue quatre types d’eaux usées à savoir :
Les eaux usées domestiques :qui proviennent des différents usages domestiques de l’eau. Elles se répartissent en eaux ménagères, qui ont pour origine les salles de bains et les cuisines et en eaux vannes ; il s’agit des rejets des toilettes. Elles proviennent des usages résidentiels tels que la lessive, l’eau de vaisselle, la cuisine, les toilettes et les douches. (Djihouessi, 2010)
Les eaux usées industrielles : qui sont les eaux rejetées après son utilisation dans un procédé industriel ou après sa production au cours de ce procédé. Leurs caractéristiques varient d’une industrie à l’autre. (Yahiattene et al. 2010)
Les eaux usées agricoles : sont des eaux usées provenant d’une part des établissements zootechniques et d’autres part de l’agriculture intra et périurbaine très pratiquées dans les bas-fonds marécageux, dans les espaces libres ou en périphérie urbaine avec dans certains cas l’utilisation d’engrais chimiques et de pesticides.(Akowanou, 2012)
Les eaux usées pluviales : quant à elles, sont des eaux de lavage des rues, des jardins, parkings publics, et les eaux de drainage des sols. L’eau de pluie se charge d’impuretés au contact de l’air (fumées industrielles) puis des résidus déposés (résidus de pneu, carburants) en ruisselant sur les toits et les chaussées. (Yahiattene et al. 2010)
I.2.2. Matières polluantes des eaux usées
Les matières polluantes contenues dans les eaux usées ne sont pas de même nature. Leur nuisance est fonction de leur nature. Il existe quatre grands types des matières polluantes à savoir : Matières organiques, minérales, particulaires et dissoutes
I.2.2.1. Matières organiques
Les matières organiques (MO) proviennent surtout des sanitaires et des cuisines, sous forme de protides, glucides (sucres), lipides(graisses), urée et produits du métabolisme (Rejsek, 2002). Ces matières sont facilement et moyennement biodégradables. Par ailleurs, il existe des
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 8 matières organiques comme les fibres cellulosiques, lignite …etc qui sont moyennement biodégradables. A cela s’ajoute les MO qui sont non biodégradables. La biodégradabilité ou la non biodégradabilité des MO est connue grâce au ratio DCO/DBO5.Le ratio DCO/DBO5
donne une première estimation de la biodégradabilité de la MO d’un effluent donné. On convient des limites suivantes (Yahiattene et al. 2010) :
DCO/DBO5< 2, l’effluent est facilement biodégradable
2 <DCO/DBO5< 3, l’effluent est moyennement biodégradable
DCO/DBO5> 3, l’effluent est non biodégradable
I.2.2.2. Matières minérales (MM)
Les MM sont des éléments chimiques naturels qui proviennent des roches, sols. Elles sont de nature différente. Il s’agit de sable, limons …etc.
I.2.2.3. Matières particulaires
Les matières particulaires sont d’origine organique (fragment d’aliment ou résidus de digestion) ou de nature minérale (sables, argiles, particules solides insolubles) (DOVI, 2011).
Elles sont constituées des matières en suspension (sable, limon, débris organiques) et des matières colloïdales (argiles fines par exemple). Ces dernières sont responsables d’ensablement et troublent l’eau. La présence de particules en suspension favorise la survie des bactéries et des virus et est à l’origine de nombreux problèmes comme ceux liés au dépôt des matières (envasement, dégradation anaérobie). Ils peuvent être éliminés par des traitements simples de décantation ou de filtration.
I.2.2.4. Matières dissoutes
Elles concernent des composés minéraux (en général plus ou moins ionisés) ou organiques, macromoléculaires ou non, ainsi que des gaz souvent très solubles dans l’eau. Comme exemple nous avons : MO, sel, CO2, SO2, NH3. (Djihouessi, 2010)
I.2.3. Matières polluantes recurrentes des eaux usées I.2.3.1. Matières carbonées
Les matières carbonées des EUD sont composées d’une multitude de MO. Comme exemple nous avons : les hydrates de carbone, les protéines, les matières grasses, huiles, pesticides
…etc. Ces MO proviennent des organismes vivants, industries agroalimentaires des papeteries, industries du bois, industries textiles…etc.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 9 I.2.3.2. Matières azotées
Elle provient essentiellement des eaux vannes, sous forme organique, dans la proportion de 85% pour l’urine et de 15% pour les matières fécales (Rejsek, 2002). Le lessivage des sols agricoles peut également constituer une source de pollution diffuse à cause de la présence d’ammoniac dans les sols fertilisés et de nitrate dans les engrais (Bourrier, 2008).La présence d’azote est une gêne pour la production d’eau potable à cause des risques de santé liés à la présence de nitrites et nitrates dans l’eau. Elle est également gênante pour les plans d’eau car source d’eutrophisation et de mortalité des poissons.
I.2.3.3. Matières phosphorées
Les sources de phosphates sont : le lessivage des roches dans des environnements carbonates, les contaminations fécales, les pollutions domestiques. La principale source du phosphate contenu dans les eaux usées provient des rejets urbains et sont dus en grande partie à l’usage des détergents. Assimilés par les algues, les phosphates se transforment en phosphore organique sous l’influence de la photosynthèse. Au-delà de 20 µg/L en P dans les eaux naturelles, cet élément est considère comme un facteur déterminant de l’eutrophisation des plans d’eau(Rodier, 2009). Tout comme l'azote, le phosphore est un constituant essentiel pour le développement des plantes, sa disponibilité ayant une influence directe sur leur croissance.
La présence des plantes crée un environnement physico-chimique favorable à l'absorption et à la complexation du phosphore inorganique, qui est ainsi assimilé sous forme d'ortho- phosphate au niveau des racines et des parties immergées. Cette assimilation est influencée par la disponibilité de l'azote (Akowanou, 2012).Les phosphates ne sont pas toxiques mais peuvent conduire à des problèmes d’acceptation (goût et coloration).
I.2.4. Les filtres plantés de roseaux I.2.4.1. Historique
Le procédé de traitement des eaux usées par les filtres plantés a été développé pour la première fois en Allemagne dans les années 1960 par le Docteur Kathe Seidel (Koné, 2011).
Depuis lors, de nombreux travaux ont été effectués de par le monde dans le but de maitriser et de procéder à son développement.
Les filtres plantés de roseaux se sont ensuite exportés en France au cours des années 70-80.
En effet, l’expérience a démarré en 1978 par l’évaluation du Cemagref l’ancien Irstea d’un système réalisé par Dr Seidel pour un site d’accueil d’enfants composé de cinq étages de
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 10 traitement en série (association de filtres à écoulement vertical et horizontal). Alimenté en eaux usées brutes, ce système, bien qu’amélioré dans une seconde phase, nécessitait d’être optimisé pour être réellement compétitif. Néanmoins, l’intérêt de la filière était certain et fut amélioré lors des expériences suivantes : Pont Rémy (qui a vu l’arrivée du siphon, 1985), puis Gensac la Pallue (1987), dimensionnée par le Cemagref, proche des bases de dimensionnement du première étage de la filière classique actuelle, ont servi de base à une recherche encore en évolution.
Ils ont été introduits dans différents pays d’Afrique tant au nord qu’au sud au tour de 1990.
Les différents travaux menés dans la plupart des pays africains (Egypte, Kenya, Maroc,…etc.) restent encore à l’échelle expérimentale. Au Bénin, les filtres plantés à écoulement vertical sont récemment expérimentés, au CTPEA de l’EPAC (Déguenon et al. 2012). Cependant, il n’existe pas actuellement de station de traitement des eaux usées domestiques par les filtres plantés de roseaux dans notre pays.
I.2.4.2. Définition
Les filtres plantés de macrophytes (plante aquatique de grande taille) est un procédé de traitement des eaux usées utilisant des macrophytes. Le même processus naturel qui se déroule dans les milieux humides entre les végétaux, le sol, les micro-organismes (bactéries principalement) et certains invertébrés (insectes, vers, larves,…). Ce procédé dont l’utilisation devient de plus en plus répandue dans le monde, permet de traiter aussi bien des eaux résiduaires urbaines (eaux usées domestiques et eaux usées industrielles) que des eaux pluviales (L.Bensmina-Mimeché, 2013). Il existe deux types de filtres à savoir : le filtre à écoulement verticale dénommé filtre planté de roseaux à écoulement vertical (FPRV) et celui à écoulement horizontale de son appellation filtre planté de roseaux à écoulement horizontal (FPRH)
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 11 I.2.4.3. Présentation du typha domingensis :
Photo 1 : Vu à l’état naturel typha domingensis (Auteur)
Le typha domingensis appelé également Massette, quenouille ou typha est une grande plante herbacée qui pousse en peuplement dense dans les zones marécageuses peu profondes. La tige atteint 4 m de hauteur. Les feuilles persistantes, longues, de couleur vert pâle sont plates ou légèrement triangulaires et croissent à la base de la plante. Les fleurs sont regroupées en épis cylindriques denses à sexes séparés mais situés sur une même plante. L'épi mâle est situé à l'extrémité de la tige. L'épi femelle situé juste au-dessous de l'épi mâle en est séparé par un espace de tige nue de 1 à 3 cm. Ces épis sont de couleur brune à maturité.
Les massettes sont des plantes rustiques de milieux humides qui possèdent un rhizome souterrain rampant. Elles forment de grandes touffes qui peuvent atteindre 2 mètres de hauteur environ. Les feuilles sont parfois utilisées pour la fabrication de nattes, de sacs, ou pour couvrir les toits.
I.2.4.3. Dimensionnement des filtres plantés de roseaux
Filtre vertical
Le dimensionnement de ces dispositifs, en termes de charge traitée par unité de surface, est encore empirique et se traduit généralement en m2 par équivalent-habitant (EH : unité de mesure permettant d’évaluer la capacité d’une station d’épuration qui se base sur la quantité de pollution).Il n’existe donc pas d’équations de dimensionnement dans la littérature. La surface totale des lits est déterminée en fonction du nombre d’habitants raccordés plutôt qu’en fonction du flux de DCO et de DBO5. Le volume journalier à traiter ne rentre pas en ligne de compte. D’après le CEMAGREF, ce procédé peut être implanté pour 50 à 1 000 EH, voire
Règne : Plantae
Sous-règne : Tracheobionta Division : Magnoliophyta Classe : Liliopsida
Sous-classe : Commelinidae Ordre : Thypales
Famille : Typhaceae Genre : Typha
Espèce : Domingensis
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 12 2000 EH. Il est particulièrement bien adapté aux petites communes rurales, campings, gîtes….
Par contre, au-delà de 2000 EH, l’installation de filtres plantés de roseaux n’est plus rentable.
Pour obtenir une bonne répartition, la vitesse d'alimentation doit être supérieure à la vitesse d'infiltration. Les arrivées d'eau se font en plusieurs points. Le volume d'une bâchée est un compromis entre, d'une part, le temps de stockage limité pour éviter une fermentation anaérobie des eaux. D'autre part, la possibilité de répartition convenablement du volume aussi faible que possible au regard de la célérité avec lequel le volume est apporté. Le système de distribution doit permettre une immersion complète de la surface du filtre suite à une phase d'alimentation (de l'ordre de 1 à 3 cm d'eau). Le plus souvent ce sont des goulottes à débordement ou des injections par points depuis un réseau de distribution superficielle ou enterré qui assurent cette alimentation.
Filtre horizontal
Contrairement au dimensionnement du FPRV, celui du FPRH est fonction de la charge en entrée de la DBO5 .Si la concentration en entrée en DBO5 est comprise entre 150 et 300 mg/l, la base de dimensionnement est de 5 m2/EH60. Si la concentration en entrée en DBO5 est supérieure à 300 mg/l, la base de dimensionnement est de 10m2/EH60
La surface utile de filtration (Sf) est calculée de la manière suivante :
5 5
5
ln e ln s
f
DBO DBO
S Q
kDBO
avec :
-
DBO5
e : concentration en DBO5 de l'eau à traiter -
DBO5
s: concentration en DBO5 de l'eau traitée- kDBO5 : constante qui dépend du type d'eau à traiter (0,1 pour une eau décantée à 0,6 pour un réseau unitaire)
L'aire Af de la section transversale du filtre (hauteur x largeur) est déterminée par la loi de Darcy comme suit :
f s
A Q K dH
dL
avec :
- Ks = conductivité hydraulique du matériau saturé - dH/dL = gradient hydraulique.
L'alimentation est normalement continue. On peut envisager d'utiliser des moyens
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 13 d'alimentation discontinue (bâchée) gravitaire ou par poste de pompage, dans le cas, par exemple, de lits à grande largeur avec une alimentation en plusieurs points, la collecte des eaux traitées en fond de filtre est obtenue grâce à des drains. Ces derniers sont raccordés à un drain principal à l'extrémité du filtre lequel collecte la totalité des eaux traitées.
Il assure l'évacuation des effluents vers le regard d'alimentation des filtres du second étage ou le regard de sortie. Chaque drain est relié à une cheminée d'aération. Des drains en tube synthétique entaillés de fente seront utilisés pour collecter l'effluent traité sur le fond du filtre.
L'utilisation de tubes de classe de résistance élevée limitera les risques de détérioration du système de drainage. On évitera l'utilisation de coudes à angle droit. Les orifices (fentes de 5mm de large sur un tiers de la circonférence et espacées de 15 cm) seront tournés vers le bas.
L'utilisation de drains agricoles est à proscrire à cause des orifices trop petits.
L'évacuation des boues du premier étage est réalisée tous les 10 à 15 ans. Ces boues sont fortement minéralisées et ne sont donc pas fermentescibles comme celles d'autres procédés (décanteur). Leur évacuation peut être réalisée à l'aide d'une mini pelle équipée d'un godet de curage de fossé avec une lame relativement tranchante. Les engins utilisés doivent pouvoir accéder à la périphérie des lits. Les rampes d'alimentation doivent pouvoir être démontées lors de cette opération.
I.2.4.4. Principe de fonctionnement des filtres plantés de roseaux
Selon le sens d’écoulement de l’effluent, on distingue deux types de configuration de filtre plantés de roseaux. Il y a les filtres horizontaux et les filtres verticaux
Filtre vertical
La filière d'épuration à culture fixée sur support fin à gravier repose sur deux mécanismes principaux à savoir : la filtration superficielle et l'oxydation. En effet, l’étage reçoit les eaux usées et celles-ci percolent verticalement à travers les filtres. L’effluent subit alors une première étape de filtration permettant une rétention physique des matières en suspension (MES) à la surface.
Quant à la phase d’oxydation, la pollution organique est dégradée à l’intérieur du filtre par les bactéries présentes en surface des graviers et des racines des roseaux. Leur fonctionnement alterne des phases d'alimentation et de repos. Il existe deux types de configuration de filtres plantés de roseaux : les filtres horizontaux et les filtres verticaux. La majorité des filtres plantés de roseaux construits sont de type à écoulement vertical. Ils sont plus efficaces pour la
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 14 minéralisation de la matière organique biodégradable et de la nitrification par l’activité de bactéries oxydant l’ammoniac (Aina et al., 2012)
Figure 3. Coupe transversale d’un filtre à écoulement vertical (Prigent, 2012)
Filtre horizontal
Les filtres horizontaux sont des bassins remplis de manière homogène de sable, de gravier ou de sol en place, et dans lesquels ont été plantés des macrophytes.
L’effluent est réparti sur toute la largeur et la hauteur du filtre par un système répartiteur situé à une extrémité du bassin ; il s’écoule ensuite dans un sens principalement horizontal au travers du substrat. La plupart du temps, l’alimentation a lieu en continu et les matériaux sont pratiquement saturés en permanence.
Figure 4. Coupe transversale d’un filtre planté à écoulement horizontal (CEMAGREF, 2005) I.2.4.4.1. Le rôle des macrophytes
Au-delà de l’aspect esthétique et de leur rôle mécanique primordial sur le premier étage des filtres verticaux, les macrophytes absorbent une partie de la pollution dégradée. Ces plantes disposent d’un système racinaire très dense qui améliore l’oxygénation des filtres, une condition sine qua non au développement des microorganismes adéquats. Poursuivant leur
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 15 croissance, les macrophytes assurent enfin le fonctionnement permanent de la station d’épuration en limitant le colmatage des surfaces filtrantes.
I.2.4.4.2. Rôle du support
De par sa granulométrie, le matériau de remplissage a un rôle évident de filtration des matières en suspension présentes dans les eaux usées, d’où le nom de filtres. Son efficacité dans ce rôle dépend en grande partie de la texture du matériau que l'on approche par sa granulométrie. Le filtre est composé de trois couches à savoir : la couche filtrante, la couche de transition et la couche drainante. La couche filtrante est la couche la plus active qui assure la rétention des matières en suspension.La couche de transition permet de retenir les MES non retenues sur la couche filtrante c’est à dire des matières colloïdales. Quant à la dernière couche, elle assure le drainage.
I.2.4.4.3. Rôle des microorganismes
Le principal rôle des micro-organismes est, comme dans tout procédé de traitement biologique, la dégradation de la matière organique. Ce sont eux qui assurent les différents processus d’oxydation et de réduction. Ils génèrent grâce à la dégradation de la matière organique l’énergie nécessaire à la biosynthèse. Ils minéralisent les composés azotés et phosphorés, et les rendent ainsi assimilables par les plantes. Ils assurent également les réactions de nitrification/dénitrification.
Ils ont besoin d’un support de fixation pour se développer et ne pas être entraînés par les eaux usées ; celui-ci est assuré par les plantes (surtout leurs organes souterrains) et le matériau. La dégradation de la matière organique par les micro-organismes est productrice de biomasse bactérienne qui doit être à son tour dégradée pour éviter le colmatage. (Grison,1999)
I.2.4.7. Performances épuratoires des filtres plantés de roseaux
Si ces systèmes d’assainissement sont correctement conçus et bien dimensionnés et que l’influent peut traverser les massifs filtrants, la qualité de l’effluent est bonne. Cela s’explique par une intense activité stimulée par une symbiose entre les microorganismes et le système racinaire développé par des roseaux (Liénard et al., 2004). Un très bon rendement est obtenu sur les MES, en fonction de la granulométrie du milieu (plus la granulométrie est fine, meilleur est l’abattement de MES, mais le risque de colmatage augmente). La flore bactérienne développée au niveau du système racinaire permet la dégradation de la matière
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 16 organique(rendement de 90% sur la DCO, la DBO5 et les MES). La diminution des populations de bactéries fécales se fait grâce au temps de séjour dans le filtre : le temps de séjour de trois jours permet un bon abattement de ces populations bactériennes qui ne trouvent pas dans le filtre les éléments nutritifs pour leur développement.
Pour les combinaisons de FPRV, la dénitrification n’est pas suffisante au regard du risque d’eutrophisation des milieux (le rendement en NTK avoisine 60%). Par contre la combinaison FPRV puis FPRH permet une bonne dénitrification, car l’épuration se poursuit dans un milieu pauvre en oxygène. Mais dans tous les cas, les rendements sur le phosphore atteignent difficilement 60% ce qui n’est pas suffisant pour des zones sensibles à l’eutrophisation.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 17
Partie II: DEROULEMENT DU STAGE
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 18 Cette partie de notre étude est scindée en deux grandes étapes à savoir :
Mise en place et suivi des expérimentations
Analyse et méthode d’analyse
II.1. Mise en place et suivi des expérimentations II.1.1.Recherche documentaire
Une recherche documentaire qui est consacrée à une revue bibliographique sur l’état des études antérieures ayant portées sur la caractérisation des eaux usées domestiques, des documents traitant des caractéristiques physico-chimiques des eaux usées domestiques par les filtres plantés de roseaux. Cette recherche sera effectuée dans les différents centres de documentations de l’EPAC (bibliothèque EPAC), du LSTE, de l’UAC et sur internet.
II.1.2. Description de station pilote II.1.2.1. Dispositif expérimental
Le pilote expérimental mis en place est d’un seul étage et est constitué de deux bacs en plastique à l’intérieur desquels sont installés des drains présentant des trous de 5mm de diamètre. Ces deux bacs sont placés sur un dallage réalisé en béton et incliné de 5%
conformément à la littérature par rapport à l’horizontal rempli d’un substrat composé des graviers lavés de dimensions variées. Les graviers utilisés sont répartis en trois couches. Du haut vers le bas, la première couche de gravier est constituée de graviers fins sur 30cm est la couche filtrante, la deuxième couche constituée de graviers de taille moyenne sur 15cm qualifiée de couche intermédiaire ou de transition et la troisième couche de grossière taille sur 15cm.La hauteur de revanche de 15 cm de hauteur est prévue pour permettre l’accumulation de la matière particulaire en surface du massif filtrant. Il faut aussi noter qu’une lame d’eau de 3 cm a été prise pour assurer non seulement la submersion du massif filtrant mais aussi le temps de contact de l’effluent avec le matériau. Les deux bacs utiliseront typha domingensis comme filtre. Après prélèvement des jeunes macrophytes, elles sont immédiatement introduites dans le bassin d’expérimentation avec un total de 12 pieds(plantation de roseaux).
Les plants ainsi repiqués ont été alimentés à l’eau usée domestique (un volume de 300L d’eau usée domestique) chaque semaine pendant deux mois. Le choix du nombre de pieds et le temps d’adaptation ont été choisis d’après les travaux de certains auteurs (Déguénon et al.
2012 ; E.S. Kengne et al.,2014). Chacun des bacs a une dimension de 110cm de longueur, 90cm de largeur et une hauteur de 100cm.
Le dispositif expérimental est installé à côté du site de lagunage sur CTEPA au CUAC. En
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 19 effet, le premier bac est placé à la sortie du bassin anaérobie et le deuxième bac est placé à la sortie du bassin facultatif. Ces deux pilotes sont alimentés des eaux issues respectivement des bassins anaérobie et facultatif à l’aide de pompes dans un système continu (remplissage progressif des deux pilotes durant le temps de séjour) après le prétraitement effectué au niveau du regard lors de l’expérience.
Méthode utilisée pour déterminer le volume d’eau usée à mettre dans les tanks :
Dimensions des tanks : L= 110cm, l= 90cm et H= 100cm Le volume d’eau usée dans les tanks est déterminé par la formule suivante Veu = Vv + Ves
Avec
Veu : Volume d’eau usée
Vv : Volume de vide du massif occupé l’eau usée Ves : Volume d’eau submersible
Ne sachant pas la porosité efficace de chaque couche du massif filtrant, le volume VV a été déterminé en se servant d’un bidon de 25L. Le massif filtrant d’eau usée jusqu’à sa hauteur. Un Vv= 245L a été obtenu soit 10 bidons de 25L.
Photo 2: Remplissage du bac Photo 3: Aspect du filtre non planté
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 20 II.1.2.2. Choix et prélèvement de l’espèce étudiée
Le typha domingensis fait partie des espèces les plus utilisées dans le traitement des EUD car il a un taux de croissance rapide (Wetlands international, 2003). C’est aussi une espèce fixée que l’on retrouve facilement dans nos écosystèmes naturels au Bénin. Le choix de cette espèce et de son introduction dans les bassins, a été fait pour assurer une continuité aux différentes études effectuées sur le site de CTPEA.
Les macrophytes utilisés ont été prélevé à Togoudo dans la zone marécageuse en face de l’Ecobank où il évolue depuis plusieurs années ; dans les conditions naturelles. En effet, nous avons extrait les plants avec les racines au bord de la zone marécageuse. Les macrophytes après leur prélèvement, ont été immédiatement à notre arrivée sur le site d’expérimentation, introduits dans les bassins. Pour pouvoir permettre aux plantes de s’adapter à ce nouveau milieu, les EUD leur ont été apportées et renouvelées chaque semaine durant un temps de deux mois. La photo ci-dessous montre les macrophytes prélevés.
Photo 4: Pieds de Typha D. lavés Photo 5:Pieds de typha prélevés
Ves= Avec
L : Longueur des tanks l : largeur des tanks
h : Lame d’eau sur le massif filtrant
Ves= cm3 soit 2 bidons de 25L
Veu= 245 + 30 = 275L soit 11 bidons de 25L, en tenant compte de l’évapotranspiration, Veu=300L soit 12 bidons de 25L
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 21
II.1.2.3. Choix de bassins anaérobie et facultatif
Nous avons choisi d’alimenter les pilotes avec les eaux issues de bassins anaérobie et facultatif pour des raisons suivantes :
La disponibilité des eaux usées en permanence dans les bassins
La proximité des bassins des pilotes d’expérimentation
Les bassins anaérobie et facultatif permettent la variation de la charge polluante des eaux usées dans le cadre de notre étude
II.1.2.4.Choix du matériau utilisé
Les matériaux utilisés dans le cadre de notre étude sont des graviers. Ces graviers proviennent de Togoudo à Abomey-Calavi. Ils sont ensuite tamisés par des tamis afin d’avoir un matériau qui répond aux caractéristiques granulométriques correspondant à l’usage auquel il est destiné. Le pilote expérimental est constitué de plusieurs couches : La couche filtrante est du gravier de 2 à 8 mm de diamètre, La couche de transition est du gravier de 10 à 30mm de diamètre et la couche drainante du gravier de 30 à 50mm pour assurer le drainage. Ce matériau a été choisi afin de permettre à l’eau de s’écouler plus facilement des pores et d’éviter un colmatage précoce des filtres plantés.
II.1.3. Echantillonnage
Pour la caractérisation des effluents bruts, un prélèvement d’environ un litre et demi (1,5) s’est fait dans les bassins anaérobie et facultatif grâce à un préleveur automatique portable Sigma SD900 de la gamme HACH afin d’obtenir un échantillon représentatif à l’entrée des bacs. Et trois prélèvements par jour à la sortie des bacs sont faits pendant le temps de séjour.
Les échantillons destinés aux analyses des paramètres globaux sont conservés dans des
Photo 6:Pieds de Typha Domengensis. 1mois après
Photo 7:Photo des pieds de Typha Domengensis. après 1mois demi
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 22 flacons en plastique qui sont remplis à ras bord pour éviter de piéger l’air afin de ne pas altérer l’équilibre chimique. Les analyses sont faites de façon journalière et portent sur les paramètres de suivi de performance.
II.1.4. Suivi des paramètres
Les paramètres de suivi de performance que sont : l’oxygène dissous, la température, le pH, le potentiel redox, et la conductivité sont mesurés trois fois dans une journée (matin à 8h, à 12h et soir à 18h). Quant aux paramètres MES, DCO, NTK et Pt sont mesurés sur l’effluent brut, puis trois fois dans une journée sur l’effluent traité durant les quatre jours de temps de séjour et ceci dans les mêmes conditions que précédemment. Ces paramètres sont déterminés au Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau.
II.2. Analyse et méthode d’analyse
Les paramètres physico-chimiques utilisés pour l’évaluation de la performance des filtres plantés de roseaux sont : la température, le potentiel d’hydrogène, le potentiel redox, la conductivité, la turbidité, l’oxygène dissous, MES, DCO, NTK, NO2-
, NO3-
, Pt. Leur rôle dans l’évaluation des performances du traitement des filtres plantés des roseaux, ainsi que les méthodes d’analyses utilisées sont présentés ci-dessous.
II.2.1. Techniques analytiques utilisées II.2.1.1. La température
La température de l’eau, est un facteur écologique qui entraîne d’importantes répercutions écologiques. Elle agit sur la solubilité des gaz dans l’eau, la dissociation des sels dissous, de même que sur les réactions chimiques et biochimiques, le développement et la croissance des organismes vivant dans l’eau et particulièrement les microorganismes responsables de la réduction de la pollution.
Elle s’exprime en °C et a été mesurée en même temps que l’oxygène dissous.
II.2.1.2. L’oxygène dissous
L’oxygène dissous représente la fraction dissoute de l’oxygène se retrouvant dans l’eau. Il est caractéristique du type de milieu. Sa concentration est très faible et le plus souvent proche de zéro dans les eaux résiduaires brutes, compte tenu des concentrations élevées en composés réducteurs (oxydables) et de l’activité des microorganismes présents. La présence d’oxygène dissous conditionne les réactions de dégradation aérobie de la matière organique et favorise l’élimination de la pollution azotée par un procédé de nitrification-dénitrification (Rejsek, 2002). L’oxygène dissous a été mesuré selon la méthode électrochimique normalisée (NF T
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 23 90-106) avec l’oxymètre Oxi 730 WTW qui est muni d’une sonde à oxygène CellOx 325.L’étalonnage de la sonde est fait à l’aide d’un bécher de calibration dans l’air
.
L’oxygène dissous s’exprime en mg O2/L.II.2.1.3. Le potentiel d’hydrogène (pH)
Le pH de l’eau mesure la concentration des protons H+ contenus dans l’eau. Il résume la stabilité de l’équilibre établi entre les différentes formes de l’acide carbonique et il est lié au système tampon développé par les carbonates et les bicarbonates. Le pH a été mesuré par la méthode potentiométrique selon la norme NFT 90-008 avec le pH-mètre pH 3110 SET 3 WTW qui est étalonné avec des solutions de pH 4,01 et 7,00. La précision des valeurs données par l’appareil est de 10-2 près.
II.2.1.4. Le potentiel redox (eH)
Le potentiel redox (eH) qui définit le pouvoir oxydant ou réducteur du système. Il quantifie les réactions d’oxydation et de réduction qui correspondent au transfert d’électrons entre les composés chimiques présents dans l’eau (Rejsek, 2002). La valeur du potentiel redox des influents renseigne sur leur septicité:
- Si eH> +150 mV alors l’influent est frais et non septique ; - Si eH< +150 mV, il y a risque de fermentation de l’influent ; - Si eH< +50 mV, il y a possibilité de production de sulfures.
Il s’exprime en milli volt (mV) et il a été mesuré selon la norme NFT 90-008 avec le pH- mètre pH 3110 SET 3 (WTW).La précision des valeurs données par l’appareil est de 10-1 près.
II.2.1.5. Le pouvoir d’oxydo-réduction (rH)
Le pouvoir d’oxydo-réduction (rH) représente le pouvoir oxydant ou réducteur d’un système à pH donné. En connaissant la valeur du eH, le rH se détermine à l’aide de la formule suivante :
K pH T
rH eH
2
) ( 0992 , 0
L’estimation du pouvoir d’oxydo-réduction permet de connaitre la nature du milieu ainsi : - Si rH< 15 : le milieu est réducteur et on est dans un domaine anaérobie ;
- Si 15 <rH< 23 : le milieu est favorable à l’oxydation des composés organiques et on est dans un domaine anoxique ;
- Si rH> 23 alors le milieu est oxydant et on est dans un domaine aérobie.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 24 II.2.1.6. La conductivité
La conductivité est la capacité de l’eau à conduire le courant électrique puisque la plupart des matières dissoutes dans l’eau sont sous forme d’ions (CEAEQ, 2002).Sa mesure constitue une bonne appréciation du degré de minéralisation d’une eau où chaque ion agit par sa concentration et sa conductivité spécifique. Elle a été mesurée à l’aide d’un conductimètre Hanna Instrument 98311 selon la norme NF EN 27888 (janvier 1994). Elle est fonction de la température et s’exprime en μS/cm. La précision des valeurs données par l’appareil est de 100 près.
II.2.1.7. Les matières en suspension (MES)
Les matières en suspension (MES) constituent l’ensemble des particules minérales et/ou organiques présentes dans une eau naturelle ou polluée. Elles peuvent être composées de particules de sable, de terre, de sédiment arrachées par l’érosion, de divers débris apportés par les eaux usées ou les eaux pluviales, d’êtres vivants planctoniques(notamment les algues).
Elles correspondent à la concentration en éléments non dissous d’un échantillon. Elles se déterminent selon la norme NFT 90-105-1 à l’aide de la formule :
Ve
M MES M1 2
avec
[MES] : Teneur en MES de l'échantillon (mg/L) M1 : Masse de la membrane avant filtration (mg) M2 : Masse de la membrane après filtration (mg) Ve : Volume de l'échantillon (mL)
La précision des valeurs données par le matériel de filtration est de 100 près
II.2.1.8. La demande chimique en oxygène (DCO)
La demande chimique en oxygène est la quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder toute la matière organique oxydable, biodégradable ou non, contenue dans l’eau. En pratique, c’est la quantité d’oxygène équivalente à la quantité de dichromate de potassium nécessaire pour oxyder (en milieu acide, par chauffage à reflux pendant 2 heures, en présence de catalyseur) les matières oxydables. La DCO reste le paramètre composite le plus fiable pour la mesure de l’oxydabilité et la dégradabilité de la pollution organique des eaux usées. Elle mesure l'oxygène nécessaire pour oxyder tous les composés présents dans l'eau à la différence de la
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 25 DBO5, qui ne prend en compte que les matières organiques biodégradables. Elle est déterminée par la méthode volumétrique suivant la norme NFT 90-101. Elle s’exprime en mg O2/l. La précision des valeurs données par l’appareil est de 10-2 près
II.2.1.9. La demande biochimique en oxygène à cinq jours (DBO5)
La demande biochimique en oxygène est la concentration, en masse d’oxygène dissous, consommée pour l’oxydation par voie biochimique des matières organiques contenues dans l’échantillon, dans les conditions de l’essai (Rodier et al., 2009).
La détermination de la DBO5 s’est faite au moyen du système OxyTop. A l’aide de la valeur de DCO obtenue, nous calculons la DBO théorique en utilisant la formule DCO/DBO5 = 2. La valeur de la DBO théorique ainsi obtenue nous permet d’avoir, grâce à l’abaque DBO, le volume d’échantillon nécessaire à introduire dans l’OxyTop On a introduit le volume prélevé dans les bouteilles adaptés à l’oxytop après l’avoir rincé à l’eau distillée, ensuite on y ajouté 3 pastilles d’hydroxyde de potassium (KOH) dans les caoutchoucs destinés pour s’assurer qu’il ne contient pas d’eau, on fixe l’oxytop à la bouteille et on lance l’oxytop en appuyant simultanément sur les deux touches et on s’arrête dès qu’on a la valeur (00). Ce dernier est ensuite mis dans l’armoire thermostatique et agité pendant cinq jours à 20°C. Après cinq jours, les bouteilles sont récupérées pour lire la valeur de notre DBO5.Elle est déterminée par la méthode manométrique suivant la norme NFT 90-103. La précision des valeurs données par l’appareil est de 10-2 près
NB : Des valeurs élevées de DBO5 et de DCO témoignent d’une forte charge organique de l’influent.
II.2.1.10. Azote
L’azote se retrouve sous formes d’azote total Kjeldhal (NTK), d’azote nitrate et d’azote nitrite dans l’eau.
Le NTK évalue les teneurs totales en azote organique et en ammonium. C’est un paramètre clé de traitement des eaux usées (Rodier et al., 2009). En présence des phosphates, les nitrates favorisent l’eutrophisation. Ce phénomène se manifeste par une prolifération massive de plantes et d’algues, qui réduisent la teneur en oxygène dans l’eau, parfois jusqu’à une teneur létale pour la faune aquatique.
Pour le mesurer, on dispose six matras dans le minéralisateur après les avoir rincé avec de l’eau distillé ; puis on prélève dans chaque matras un volume x en fonction de la turbidité de
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 26 l’eau (plus l’échantillon est trouble plus le volume prélevé est petit) qui varie de 25 à 250ml à l’aide de bécher. On a ajouté 3 billes de verres et 1g de catalyseur de minéralisation 1000 KJELTABS KW ; et on y ajoute 10ml d’acide sulfurique concentré sous la hotte ; ensuite on met les échantillons au chauffage pendant 1h à une température de 180°C et puis au moins 1h à 360°C à l’aide du minéralisateur. Après cela, on les laisse refroidir à la température ambiante, puis on passe à la distillation.
Pour faire la distillation des échantillons, on enlève les échantillons du minéralisateur; ensuite, on ajuste tous les minéralisât avec un peu d’eau distillée à quelques ml pour faciliter l’ajout de soude. On prend un Erlenmeyer de 200ml dans lequel on a ajouté 10ml de solution d’acide borique prélevé à l’aide d’une pipette de 10ml et quatre (4) gouttes d’indicateur mixte qui fait virer la solution en rose et on pose l’erlenmeyer sous le raccord situé au niveau du distillateur
; puis on fait l’ajout de 50ml de soude dans le matras en allumant le distillateur, et on lance la distillation en réglant le distillateur à 5min pour recueillir 200ml distillat dans l’erlenmeyer.
Après les 5min, si on constate que l’échantillon s’est viré au bleu dans l’erlenmeyer, on passe au dosage. Elle est déterminée selon la norme NF EN 25 663.La précision des valeurs données est de 10-1 près.
II.2.1.11. Les orthophosphates
Le phosphore se retrouve dans les EUD sous forme d’orthophosphates (entre 50 et 80%) (Rejsek, 2002). La détermination du phosphore se fait donc à travers celle des orthophosphates. On détermine le taux de phosphore dans un effluent car il fait partie des principales causes de l’eutrophisation.
Pour mesurer ce paramètre, 25mL de l’échantillon à analyser est prélevé. Ensuite on procède à une dilution de l’échantillon par deux. On ajoute le réactif de PO43-
à l’échantillon qu’on agite jusqu’à une obtention homogène de l’échantillon. On le laisse reposer pendant 2 mn et après on fait la lecture au spectrophotomètre. Elle est mesure selon la norme NF EN 25 663.
La précision des valeurs données est de 10-2.
Rédigé et soutenu par Innocent O. AHOUANMADJO Page | 27 II.2.2. Matériels
II.2.2.1. Spectrophotomètre
Un spectrophotomètre mesure la lumière absorbée par une solution (échantillon) à une longueur d’onde donnée, ce qui permet d’en déduire la concentration de l’élément correspondant à cette longueur d’onde.
Pour nos analyses nous avons utilisé le spectrophotomètre DR 2800 de la gamme HACH Lange des réactifs minutieusement pré-dosés dans des cuves selon la norme NFT 90-015.
II.2.2.2. Minéralisateur de NTK
La détermination de nombreux paramètres essentiels nécessite une préparation préalable des échantillons. Ainsi nous avons utilisé le minéralisateur pour chauffer les échantillons 1h à 180°C puis au moins 1h à 360°C avant de les amener à la distillation puis le fait passer au dosage. L’appareil est doté d’un bloc de chauffage avec couvercle de protection intégré.
II.2.2.3. Réacteur de DCO
C’est un appareil qui intervient dans la détermination de la Demande Chimique en Oxygène.
Il permet de chauffer le mélange avant le dosage à une température constante de 180°C pendant deux heures
.
II.2.2.4. Armoire thermostatique
L’armoire thermostatique sert à maintenir la température constante pour un grand nombre d’applications. Elle assure une régulation précise de la température intérieure au moyen d’une sonde de température intégrée.
Dans le cadre de nos travaux, nous avons utilisé l’armoire thermostatique TS 606/2-i, équipée de prises internes pour alimenter les agitateurs et d’un visuel à affichage numérique qui indique la température intérieure mesurée. Pour la détermination de la DBO5
II.2.2.5. OxyTop
Pour la mesure de la DBO5 nous avons utilisé le Système OxyTop. L'OxyTop est un système électronique à manomètre intégré (tête) qui se visse directement sur le flacon à DBO. La lecture de la valeur de la DBO5 se fait après cinq jours sur un écran à affichage numérique.
Les postes (flacons + tête) sont associés à un agitateur à induction, le tout devant être placé à 20°C dans une enceinte DBO ou armoire DBO.
