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Université Cadi Ayyad Marrakech 2012/2013

Ecole Nationale des Sciences Appliquées de Safi Génie des Procédés et Matériaux Céramiques

Eaux usées du monde rural : un véritable problème Traitement par lagunage

Réalisé par : ETTAGHZAOUI Lahcen HADDOUCH Zahair FORSI Ayoub

Encadré par : Mme. BABALAHCEN

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Sommaire

Enoncé de la problématique I.

Les problèmes causés par les eaux usées sur l’environnement et sur la santé .............................. 4 1.

Les problèmes d’environnement ................................................................................................ 4

2.

Les problèmes de santé ............................................................................................................... 5

II.

Lagunage : Une véritable solution pour traiter les eaux usées du monde rurale ........................... 5 1.

Définition ..................................................................................................................................... 5

2.

Différents types de lagunage....................................................................................................... 6

III.

Le lagunage à macrophytes et à microphytes ............................................................................. 7

1.

Caractéristiques ........................................................................................................................... 7

2.

Principe de fonctionnement ........................................................................................................ 8

3.

Les techniques d’épuration ....................................................................................................... 10

IV.

Le lagunage aéré (aérobie) ........................................................................................................ 11

1.

Définition ................................................................................................................................... 11

2.

Caractéristiques ......................................................................................................................... 11

3.

Principe de fonctionnement ...................................................................................................... 12

V.

Le lagunage anaéré (anaérobie) .................................................................................................... 13 1.

Définition ................................................................................................................................... 13

2.

Caractéristiques ......................................................................................................................... 14

3.

Principe de fonctionnement ...................................................................................................... 14

Conclusion Bibliographie

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Enoncé de la problématique

Les eaux d’égout des collectivités rurales doivent comme celles des villes être épurées avant leur rejet dans le milieu naturel : ruisseaux, rivières, lacs. Cette épuration se fait dans des stations d’épuration à l’aide de bactéries qui détruisent la pollution avant qu’elle ne soit rejetée. Elles transforment cette pollution en un sous-produit appelé « boues » qui sont ensuite épandues comme engrais et matière organique sur les terrains agricoles. Les stations d’épuration classiques que l’on rencontre dans les villes nécessitent une forte technicité et une exploitation complexe qui induit des coûts de personnel et d’énergie élevés. En particulier, l’évacuation régulière des boues est une contrainte forte qui, si elle n’est pas respecté, peut conduire au dysfonctionnement de l’installation et donc à un rejet de la pollution mal traitée. Les stations d’épuration conçues selon le principe des « lagunes d’épuration » ou des « marais artificiels » (appelés aussi « filtres plantés de macrophytes ou de roseaux») constituent une solution intéressante pour le milieu rural et sont adoptées depuis plusieurs dizaines d’années par de nombreuses collectivités.

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I.

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Les problèmes causés par les eaux usées sur l’environnement et sur la santé 1. Les problèmes d’environnement

On peut estimer que les problèmes environnementaux, causés par les eaux usées fortement chargées, sont préoccupants dans la zone d’étude puis qu’ils sont cités par 75% des ménages qui les perçoivent en terme de : 

pollution et la dégradation de la qualité de la ressource en eau citée par 78% des ménages avec comme conséquence la disparition des espèces aquatiques (poissons) ;

contamination des sols évoquée par 63% des ménages entraînant la détérioration de la qualité des sols l’érosion et le ravinement des sols ;

détérioration du cadre de vie, la destruction du patrimoine urbain, l’inesthétisme, l’insalubrité et la gène des voisins évoqués 40% des ménages interrogés ;

risques de maladies et autres malaises, le ralentissement des activités socioéconomiques et les risques accrus d’accidents sont reconnus par 30,1% des ménages interrogés ;

pollution de l’air avec le dégagement d’odeurs nauséabondes, vue par 25% de l’échantillon.

Figure 1 : Rivière polluées par les eaux usées

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2. Les problèmes de santé Les problèmes de santé, dus au non-traitement des eaux usées et à leur stagnation dans les drains et les espaces libres sont: 

prolifération de gîtes des vecteurs de maladies (moustiques, mouches, cafards et rongeurs) ainsi que des odeurs nauséabondes (citée par 60% des ménages de la zone) ;

présence, dans les eaux usées, de germes et microbes pathogènes, perçue par 30% des ménages comme facteurs de maladies chez les riverains ;

contamination de l’eau, des sols et des aliments avec des risques de santé : 67% de ces ménages craignent la dysenterie amibienne, la typhoïde et la diarrhée tandis que 17% évoquent le paludisme causé par les moustiques (type anophèle femelle).

le paludisme qui affecte en moyenne 35% des ménages ;

la diarrhée et la dysenterie dont a souffert 11% des ménages ;

la typhoïde qui touche près de 10% des ménages ;

Figure 2 : Pollution par les eaux usées

II.

Lagunage : Une véritable solution pour traiter les eaux usées du monde rurale 1. Définition

Le Principe de l’épuration des eaux usées par lagunage naturel ou écologique est connu depuis l’Antiquité.

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Il était déjà utilisé dans la Chine ancienne et dans la Grèce antique pour l’élevage des poissons, ainsi que par les Romains par exemple, dans des bassins de décantation où on laissait “faire la nature”. En effet, le processus d’autoépuration mis en jeu dans cette technique se déroule spontanément dans les mares, les étangs et autres étendues d’eau, dans lesquels les microorganismes dégradent la matière organique et la transforment en éléments minéraux. Il s’agit donc, dans cette technique, d’une part de favoriser le lent écoulement de l’eau dans des bassins successifs, et d’autre part de s’appuyer sur une association biologique couvrant toute une chaîne alimentaire, à savoir:  Les bactéries aérobies vivant en présence d’oxygène dissous,  Les bactéries anaérobies,  Les algues ou phytoplancton,  Et le zooplancton dans certains cas. Dans ces conditions, il est possible d’obtenir une excellente dépollution organique et au surplus, ce que ne permettent pas les stations d’épuration classiques, une très bonne décontamination microbienne

Figure 3 : Exemples de Lagunage de traitements des eaux usées

2. Différents types de lagunage  Lagunage naturel Il associe les deux types de lagunes : des lagunes à macrophytes et des lagunes à microphytes, l'alimentation en oxygène se fait par une culture d'algues et de bactéries. La biomasse formée décante et s'accumule in situ. 6


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 Lagunage aérobie On maintient l'oxygénation nécessaire à la dégradation de la pollution de l'effluent par des organes d'aération qui assurent aussi le mélange du milieu.  Lagunage anaérobie La lagune est plus profonde et cela entraîne une plus grande prolifération des algues. Le temps

de

séjour

est

Figure 4 : Exemples de lagunage (1)

III.

plus

important.

Figure 3 : Exemples de lagunage (2)

Le lagunage à macrophytes et à microphytes 1. Caractéristiques

Sous climat tempéré, Le lagunage à macrophytes et à microphytes nécessite une superficie de 10 à 15 m2 par équivalent-habitant. On compte sur une station de 2 à 5 bassins disposés en série (avec un optimum pour 3 bassins), profonds de 1 à 1,7 mètres où les effluents à traiter séjournent au total de 50 à 80 jours. Le premier bassin (de décantation) est le plus profond, et le volume global de l’ensemble doit être très important : soit de 60 à 80 fois plus que la quantité d’effluent reçu, ce qui permet une dilution considérable et d’assurer, le cas échéant, de fortes variations de charge à assainir. Dans une formule complémentaire (en milieu tropical notamment) on peut cultiver des macrophytes (roseaux, massettes ou lentilles d’eau par exemple) dans le bassin terminal afin d’optimiser l’épuration, d’augmenter l’oxygénation et d’éliminer au maximum les matières en suspension.

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Les lagunes à macrophytes diffèrent de celles à microphytes par une plus faible profondeur d’eau et doivent être collectées régulièrement (fort taux de croissance des lentilles ou des jacinthes d’eau par exemple).

Figure 4 : Exemple de lagunage à macrophytes et à microphytes

2. Principe de fonctionnement Le premier bassin est la lagune à microphytes où l’on trouve les bactéries et les algues microscopiques. La minéralisation de la matière organique soluble en suspension est assurée par les bactéries aérobies, elles la transforment en eau, gaz carbonique, nitrates et phosphates. Ces composés simples vont être assimilés par les algues qui grâce à la lumière du soleil vont effectuer la photosynthèse pour assurer leur métabolisme et libérer de l’oxygène essentiel pour la vie des bactéries aérobie dans la lagune. La matière organique sédimentant au fond des bassins (décantation) est dégradée par les bactéries anaérobies selon le processus de fermentation anaérobie produisant la minéralisation des boues et des dégagements gazeux (azoté) fixés pour certain par les algues. Les eaux restent environ 50 jours dans le bassin à microphytes. Les lagunes à macrophytes constituent le plus souvent le deuxième et le troisième bassin (s’il y 8


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en a trois). Il y vit en plus des algues macroscopiques et des plantes aquatiques capables d’absorber des substances inorganiques notamment les formes minérales de l’azote et du phosphore, l’ammonium, le nitrate, l’o-phosphate et de les mettre en valeur. Elles permettent ainsi la réduction des engrais. Les plantes aquatiques fixent également les sels minéraux pour leur croissance, il se développe alors des micro-organismes qui se nourrissent des plantes ellesmêmes. L’apparition de zooplancton (daphnie, cyclopes,…) permet d’améliorer la filtration de l’eau. Il s’établit ainsi des chaînes alimentaires entre les bactéries, le phytoplancton, le zooplancton et les végétaux. Les eaux restent environ 40 jours dans ce type de lagune.

Figure 5 : Principe de fonctionnement d'une lagune

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3. Les techniques d’épuration  la récolte des eaux usées des habitations La récolte des eaux usées se fait dans la plupart du temps par gravité, donc en un point bas et proche d’une possibilité d’évacuation des eaux épurées (fossé, ruisseau, rivière ou canal), sans qu’un pompage ou un relevage soit nécessaire.  L’élimination des matières en suspension et flottants Cette élimination consiste à utiliser un dégraisseur pour se débarrasser des huiles et des matières flottantes, un dégrilleur pour éliminer les matières grossières, et un déssableur pour décanter les sables.  La minéralisation des matières organiques Cette minéralisation est due à l’action de bactéries aérobies qui vont transformer les matières organiques en ammoniac puis en nitrates pour les produits azotés (protéines) et en phosphates pour ceux contenant du phosphore (ex acides nucléiques). Mais les bactéries aérobies ont besoin d’oxygène pour vivre. Cet oxygène est naturellement apporté par le phytoplancton (microalgues) grâce à la photosynthèse. Ces actions se passent dans un bassin dit à microphytes (végétaux microscopiques).  L’élimination des nitrates et phosphates formés dans le processus précédent Cette élimination s’effectue tout simplement par l’action de plantes dites macrophytes (végétaux de grande taille) qui sont des hélophytes (ayant leur partie végétative inférieure dans l’eau et leur partie supérieure à l’air) ; ce sont par exemple des iris, des roseaux, des typhas (ou massettes). Cette action s’effectue dans un bassin dit à macrophytes.  L’exportation des végétaux supérieurs en fin de croissance Cette exportation se fait par faucardage des plantes, environ 10 cm au dessus de l’eau (pour éviter le pourrissement des parties inférieures) et en laissant les parties profondes (racines, rhizomes) en place pour la repousse ultérieure. Les plantes coupées doivent être ramassées et exportées hors du bassin (pour éviter leur pourrissement) ; on peut alors soit brûler les végétaux après séchage, soit les utiliser pour faire du compost après broyage.

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IV.

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Le lagunage aéré (aérobie)

1. Définition Les lagunes dites aérées sont tout simplement des bassins où sont recueillies les eaux usées urbaines et où elles sont aérées par un brassage mécanique puissant. Le lagunage aéré est utilisé pour l'épuration biologique des substances organiques non décantées et non dissoutes contenues dans les eaux résiduaires pré-épurées mécaniquement dans des étangs de décantation ou par un autre procédé. De plus, l’aération artificielle permet :  d’améliorer l’absorption, la distribution et l’utilisation de l’oxygène,  une répartition plus homogène des matières polluantes et des micro-organismes dans la lagune,  plus d’indépendance vis à vis des facteurs naturels non maîtrisables (température, vent, apports photosynthétiques,…) en ayant la possibilité de contrôler l’apport d’oxygène et le rendement d’épuration.

2. Caractéristiques Ce procédé peut être utilisé dans des conditions climatiques difficiles (pays très froids, couche de glace persistante etc. ...) ou en complément lorsque les conditions climatiques l’exigent (saison des pluies en climat tropical) ou que la charge polluante devient trop importante (cas des abattoirs où le volume des rejets connait de fortes variations d’amplitude).

Figure 6 : Exemple de lagunage aérobie

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Le lagunage aéré consiste à oxygéner artificiellement les lagunes soit en surface (aérateurs), soit en immersion (insufflation d’air). On distingue :  une lagune d’aération de 3 à 5 m de profondeur qui peut varie en fonction de la puissance du système de brassage et avec une surface de 3 m2 par équivalent-habitant où les effluents séjournent au minimum 20 jours.

 une ou plusieurs lagunes de décantation d’une hauteur de 2 à 3 m, avec un temps de séjour d’au moins 20 jours.

Figure 7 : Lagune aérée

3. Principe de fonctionnement Le brassage entraîne le développement massif des bactéries aérobies qui vont minéraliser les matières organiques et les décomposer en libérant en particulier l’azote sous forme de nitrates et le phosphore sous forme de phosphates.

 Elimination de l’azote et du phosphore Depuis quelque temps, il est demandé, voire imposé une élimination de l'azote et du phosphore.  Elimination de l'azote

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L’azote se trouve sous la forme organique d’ammonium (NH4 +) et de nitrates (NO3-) dans de faible proportion dans les eaux usées. Les différentes réactions qui conduisent à l’élimination de l’azote dans le milieu aquatique sont l’ammonification (transformation de l’azote organique en ammonium), la nitrification (oxydation de l’ammonium en nitrates), la volatisation (transformation de l’ammonium en ammoniac) et la dénitrification (réduction des nitrates en azote gazeux). Chacune de ces réactions est dépendante de l’état d’oxydation du milieu et de la disponibilité en oxygène dessous. En présence de plantes les principales réactions d’élimination d’azote sont la nitrification, la dénitrification et l’assimilation par les végétaux.  Elimination du phosphore Dans les eaux usées brutes, le phosphore est présent en partie dans la matière organique et en partie dans les phosphates inorganiques. Dans l'effluent, par contre, il se présente à concurrence de 80 à 90 % à l'état d'orthophosphate (P04 3-). Les orthophosphates peuvent être éliminés par précipitation chimique en utilisant principalement des sels de fer ou d'aluminium et parfois de la chaux. En lagunage aéré, de très bons résultats sont obtenus en injectant des réactifs dans le canal reliant les deux lagunes aérées. Les précipités produits se déposent lentement avec le phosphate fixé dans le fond du deuxième bassin d'aération. L'élimination du phosphore réduit en grande partie la prolifération d'algues en bassin de finition. D'autre part, la floculation et la précipitation éliminent des eaux usées les matières fines en suspension. Cette phase peut-être réalisée indépendamment de la lagune aérée.

V.

Le lagunage anaéré (anaérobie) 1. Définition

Les lagunes non aérés utilisés pour le traitement des eaux usées domestiques sont généralement des lagunes facultatives. Ils sont constitués de grands bassins en terre de profondeur plus grande que les lagunes aérés. La couche supérieure de l’eau est aérobie. L’oxygénation se fait de façon naturelle au contact de l’atmosphère et surtout par les algues qui produisent de l’oxygène par photosynthèse. La couche inférieure est anaérobie. Entre ces deux couches se trouve une zone intermédiaire avec des conditions aérobies et anaérobies pouvant varier dans le temps et dans l’espace. Ces couches ne sont pas toujours bien définies, surtout lorsque des mouvements verticaux sont induits par des courants de densité à certaines

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périodes de l’année. Les matières décantables s’accumulent au fond des étangs, surtout dans le premier bassin, et forment une couche de boues dans la zone anaérobie.

Elle est largement utilisée aussi ailleurs dans le monde, notamment aux États-Unis où il y a des milliers d’installations.

Figure 8 : Schéma d'une lagune anaérobie

Ce système surtout employé en climat tropical, car il nécessite une température élevée supérieure à 25°C.

2. Caractéristiques Les caractéristiques sont :  une profondeur d’eau importante facilitant les processus anaérobies.  une charge en matière organique élevée. La réduction de la DBO5 dépasse 80% lorsque la température est au dessus de 25°C. Outre la température, les paramètres majeurs sont le pH, qui doit rester voisin de 7, donc de la neutralité, et le temps de séjour : Pour 2 jours, la chute atteint 70% sur la DCO et 80% sur les matières en suspension. On peut y adjoindre une lagune à macrophytes (laitues d’eau par exemple).

3. Principe de fonctionnement Le lagunage non aéré est utilisé pour diminuer la teneur en substances organiques d'eaux résiduaires brutes ou clarifiées mécaniquement (décantation primaire). Ces matières organiques sont transformées en méthane et en CO2 par l’intermédiaire des bacteries, ce processus est appelé méthanogènes.

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Conclusion

Le lagunage naturel, avec macrophytes et microphytes, constitue incontestablement la technique la plus écologique, la plus économique et la plus efficace pour l’épuration des eaux usées domestiques des agglomérations de moins de 10 000 habitants. Elle est applicable aux maisons individuelles, et surtout aux villages, hameaux et lotissements de faible importance. L’inconvénient du lagunage naturel réside dans les débits traités, il convient juste pour des débits faibles. Cependant le lagunage aéré demande une superficie importante et aussi des systèmes de pompages et des soufflantes d’air pour l’aération du milieu à une certaine profondeur qui peut varier en fonction de la puissance des pompes d’aération. Donc il y a une consommation de l’énergie de brassage. En plus le lagunage aéré permet de traiter des débits important avec des charges polluantes importantes en comparaison avec le lagunage naturel. Le lagunage anaérobie est efficace pour le traitement des eaux chargées en matière organique (formation de méthane).

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Bibliographie  CEMAGREF – Institut de recherche pour l'ingénierie de l'agriculture et de l'environnement

http://www.cemagref.fr/  CEREVE - Centre de Recherche Eau Ville Environnement - ENPC, ENGREF, UPVM, France

http://www.enpc.fr/cereve/  CEREMHER - Centre de Recherche Mèze – Hérault, France

http://www.ecosite.fr/partenaires/ceremher.html  CSRS - Centre Suisse de Recherches Scientifiques, Côte d'Ivoire

http://www.csrs.ch/  ONEP – Office National de l'Eau Potable, Maroc

http://www.onep.org.ma  ENGREF – Ecole Nationale de Génie Rurale, des Eaux et des Forêts

http://www.engref.fr  Le dégraissage et le dessablage des eaux usées

http://ecoledefontain.free.fr/article.php3?id_article=139  Les égouts de Paris

http://fr.wikipedia.org/wiki/Egouts_de_Paris  L’épuration de l’eau par des moyens naturels

http://www.terrevivante.org/index.asp?contenu=/sources  Toutes les informations sur l’eau

http://www.acgrenoble.fr/cite.scolaire.internationale/Peda

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