Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de biotechnologie environnementale LBE)

Epuration des eaux usées par lagunage à microphytes et à macrophytes en Afrique de l'Ouest et du Centre : état des lieux, performances épuratoires et critères de dimensionnement

Koné, Doulaye ; Holliger, Hans Christof (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2653.

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    Summary
    Stabilization ponds and water lettuce-based systems in West and Central Africa - State of the art, removal performances and design criteria Despite several projects undertaken so far, sanitation remains a huge challenge in West and Central Africa. Big cities are growing without sustainable solution for sanitation planning. Sewage systems and wastewater treatment plants are underdeveloped or absent. Stabilization ponds have been introduced 30 years ago, but this low-cost technology remains marginal in wastewater treatment systems. The climate context is favourable to develop a set of low-cost wastewater treatment plants, particularly macrophyte-based systems. Pilot scale studies show the enormous potentialities of such sustainable technologies for water pollution control and treatment. None of the full scale applications works and this is due to the low economic level and the lack of political support. Another important reason is the lack of training and research. This situation requires the development of a collaborative network in which African researchers can share knowledge and promote sustainable wastewater treatment plants, as sanitation demand is growing exponentially in conjunction with the population growth in the cities. Stabilization ponds account for only 7% of the whole wastewater treatment technologies built in West and Central Africa, against 75% of activated sludge processes that in most cases failed. In spite of their bad quality, the effluents are widely reused in urban agriculture. Experimental data showed a maximum removal rate of 30% and 60% for COD and BOD5, respectively, and a maximum loading rate of 500 kg BOD/ha/d. Macrophytes-based systems are even more scarce (3%). The link of this technology with potential risks of malaria has slowed down its development. Nevertheless, data from studies in Niamey and Yaounde, and from rice culture irrigation zones showed that this correlation is not significant. Little research is done on wastewater treatment technologies for local application. This is one more reason why this study was based at EIER in Ouagadougou (Burkina Faso). The aim of this work was to determine the parameters for optimal removal performance and to elucidate design criteria of water lettuce-based wastewater treatment systems, possibly in combination with stabilization ponds to promote restrictive irrigation in market gardening. In secondary treatment, the maximum admissible loading rate was found to be 500 kg BOD5/ha/d (400 mg O2/l). Above this value, sludge accumulation at the pond surface caused by intensive methanogenic degradation of the sediments lead to plants die-off. COD and BOD5 removal rate was not correlated to redox state or dissolved oxygen concentrations. This indicated that the removal was mainly due to settlement and trapping of suspended solids in roots and sediments. Aerobic degradation remains low because the extent of oxygen release by plants cannot explain the yield obtained. COD and BOD5 removal performance reaches an optimum rate of 75% and 85% in two weeks hydraulic retention time, respectively. Regression equations between applied (λappl) and removed (λrem) loads is expressed by λrem (COD) = 0.75λappl (COD) – 10.4, (r2 = 0.99). The first order kinetic constant for BOD5 removal, kT = 0.14 d-1 (or kT = 0.11 d-1 for the DCO) can be used for designing of treatment ponds with the equation from the International Water Association (IWA). From the total nitrogen entering the treatment ponds, depending on the nitrogen load, between 44% and 60% were removed in the configuration with three ponds and a HRT of 18 days. Nitrogen can be removed by plant uptake with the harvest, by settlement or trapping with the suspended solid or by elementary nitrogen formation which occurs by the combination of nitrification, denitrification, and anaerobic ammonium oxidation. Nitrogen removal by plants was estimated to account for 10% to 39% in total nitrogen removed from ponds with a HRT of 18 days based on the steady growing and nitrogen uptake rate found. With a weekly harvesting rate of 50% of total plant biomass in the ponds, the water lettuce growing rate and the nitrogen uptake were 50 ± 1 g dry weight/m2 (182.5 t dry weight/ha/year) and 0.36 g N/m2/d (1314 kg N/ha/year), respectively. Trapping and settling of organic nitrogen present mainly in the suspended solids fraction removed about 25-48% of total nitrogen. It was found that water lettuce-based treatment systems conserved quite large amounts of ammonium in the effluents, a fact that is favourable for irrigation water reuse. Nevertheless, nitrogen loss by nitrification-denitrification occurred in water lettuce ponds, and perhaps even anaerobic ammonium oxidation. Nitrification became visible when COD dropped below 140 mg O2/l. With nitrogen loading varying from 31 to 97 kg N-NH4+/ha/d, the ammonium removal rate varied from 15-40% with a HRT of 18 days and from 20-60% with a HRT of 21 days. Hence, 40-80% of the ammonium was conserved in the water lettuce-based systems. In addition to conserve ammonium, water lettuce ponds also perform better than facultative ponds in organic pollutant removal, 75% against 50% in DCO reduction, respectively. When discharging the facultative pond effluent in a water lettuce pond, removal performance of the combined (upgraded) system is equal to that of a water lettuce pond. Faecal coliform removal in the two systems is very close, three weeks were necessary to ensure a reduction of three logarithmic units in faecal coliform concentration. To reach the objective of irrigation reuse, water lettuce-based treatment plants should not significantly affect the availability of the treated water. It was shown that the additional water loss due to the presence of Pistia stratiotes is lower than 10% of the average evaporation rate of microphytes ponds. Based on the results obtained during this study the following recommendations can be made. If the surface occupied by a plant is a limiting parameter, the footprint of the ponds can be decreased by designing a water lettuce based system with ponds depth bigger than the recommended 70 cm. This depth has been proposed to promote oxygen release in ponds, which was supposed to support aerobic oxidation. According to our results, organic matter removal is not correlated to oxygen availability. In addition, increasing the pond depth could also increase the ammonium conserved in the effluent. For restrictive irrigation, in market gardening, a hybrid system combining facultative ponds with water lettuce ponds is suitable, not only to secure the effluent quality, but also to reduce constrains related to plant management. During this thesis, the beginning of a network for collaboration has been created between members of different research teams including the Abdou-Moumouni University in Niamey, the Cheick Anta Diop University of Dakar, the University of Yaounde and the Ecole Inter-Etats d'Ingénieurs de l'Equipement Rural (Ouagadougou) in Burkina Faso. Several topics investigated during this study should be studied in more detail, and this best within the framework of this network of collaboration in West and Central Africa.
    Résumé
    La problématique de l'assainissement des eaux usées en Afrique de l'Ouest et du Centre est un sujet qui demeure entier, malgré les nombreuses initiatives entreprises jusqu'à ce jour. La plupart des villes africaines se construisent sans un plan rigoureux d'assainissement, ce qui rend désormais complexe la recherche de solution. Les systèmes de collecte et de traitement d'eaux usées et d'excreta sont très peu développés voire inexistants. Le lagunage a été introduit en Afrique depuis bientôt 30 ans, mais cette technologie rustique d'épuration d'eaux usées n'a pas encore trouvé sa place dans les concepts d'assainissement des villes africaines (une vingtaine de stations). Les conditions de température permettent d'envisager l'utilisation d'une multitude de technologies, notamment l'utilisation de plantes aquatiques flottantes pour le traitement des eaux usées. Au niveau expérimental, les procédés de lagunages montrent de bonnes perspectives d'implantation, mais aucune station n'a encore réellement fonctionné à grande échelle, pour des raisons d'ordre économique et d'un manque d'appui politique. L'absence de formation et l'insuffisance de la recherche expliquent également l'échec constaté. Il devient impératif que les différents centres de recherches africains travaillent dans un cadre légal de collaboration et d'échanges pour proposer des technologies adaptées car, les populations se concentrent désormais dans les villes et la demande en assainissement croit de façon exponentielle. L'état des lieux du lagunage en Afrique de l'Ouest et du Centre montre que le lagunage à microphytes représente seulement 7% des technologies en place, contre 75% de stations à boues activées, qui sont presque toutes à l'arrêt. En dépit de la qualité médiocre des effluents issus de ces stations, ils sont directement utilisés en agriculture urbaine. L'expérimentation des bassins facultatifs montre que les rendements maximum en DBO5 et DCO atteignent respectivement 60% et 30% pour des charges organiques inférieures à 500 kg DBO5/ha/j. Les installations à macrophytes sont moins nombreuses (3%). Le préjugé selon lequel ce type de station pourrait amplifier le risque d'incidence palustre a contribué à freiner leur implantation. Cependant, les travaux en cours dans les stations expérimentales de Niamey et de Yaoundé, ainsi que ceux réalisés dans les zones de rizicultures irriguées montrent que cette corrélation n'est pas significative. Peu d'études ont porté sur les conditions d'implantation du lagunage dans le contexte local. C'est l'une des raisons pour lesquelles cette étude s'est déroulée à l'EIER, Ouagadougou (Burkina Faso). Les objectifs de ce travail étaient d'une part, d'élucider les critères de dimensionnement et de déterminer les paramètres pour une performance épuratoire optimale, et d'autre part, de proposer une combinaison judicieuse avec un bassin facultatif pour atteindre une qualité d'effluent compatible avec la norme l'irrigation restrictive, en maraîchage. En épuration secondaire, la charge maximale admissible dans les bassins à laitues d'eau a été déterminée à 500 kg DBO5/ha/j (400 mg O2/l). Au-delà de cette limite, l'activité des méthanogènes accentue la remontée de boues en surface et cela provoque la mort des plantes. L'abattement de la DCO et de la DBO5 n'est pas corrélée au potentiel redox et à la disponibilité de l'oxygène dans les bassins. Cela indique que l'élimination de la pollution carbonée est principalement due à la sédimentation des MES et à leur filtration par les racines des plantes. La dégradation aérobie est négligeable car le faible apport d'oxygène par les plantes ne peut expliquer les rendements observés. Les rendements optimaux atteignent 85% pour la DBO5 et 75% pour la DCO en deux semaines de temps de séjour hydraulique. Les relations entre charges appliquées (λappl) et charges éliminées (λelim) sont exprimées par λelim(DCO). = 0.75λappl(DCO). – 10.4 (r2 = 0.99). La constante cinétique de dégradation de la DBO5 kT = 0.14 j-1 (kT = 0.11 j-1 pour la DCO) permet de dimensionner les bassins à laitues d'eau, en utilisant le modèle cinétique de l'IWA. Le rendement d'élimination de l'azote total est compris entre 44% et 60% en 18 jours de temps de séjour, selon la charge en azote appliquée dans les bassins. L'azote est éliminé par le prélèvement des plantes avec les récoltes, par filtration et décantation avec les MES ou par réduction en azote élémentaire. Cette dernière réaction est réalisée par nitrification et dénitrification, ou par oxydation anaérobie de l'ammonium. L'exportation par les plantes représente 10 à 39% de l'azote éliminé dans les bassins en 18 jours de temps de séjour. Avec une fréquence de récolte hebdomadaire de récolte de 50% de la biomasse végétale, la productivité de la laitue d'eau est maintenue constante, 50 ± 1 g de matière sèche/m2.j, soit 182.5 t de matière sèche/ha/an. Dans ces conditions, l'exportation maximale d'azote par les plantes est de 0.36 kg N/m2/j (1314 kg N/ha/ha). La filtration et décantation de l'azote organique avec les MES élimine 25 à 48% de l'azote total admis dans le système. Les bassins à laitues d'eau conservent une quantité importante de l'azote ammoniacal, ce qui est profitable pour l'irrigation en agriculture. Cependant, la présence des plantes peut stimuler la perte d'ammonium par des réactions de nitrification-dénitrification ou d'oxydation anaérobie. La nitrification devient visible lorsque la DCO < 140 mg O2/l. pour des charges comprises entre 31 et 97 kg N-NH4+/ha/j, l'élimination de l'ammonium varie de 15-40% pour 18 jours de temps de séjour à 20-60% pour 21 jours. Ainsi, 40% à 80% de l'ammonium est conservé dans les bassins à laitues d'eau. Pour la réutilisation en irrigation, la présence de la laitue d'eau dans les bassins d'épuration, dans les pays sahéliens, n'affecte pas de façon significative la disponibilité des eaux traitées. En effet, cette étude montre que, la perte d'eau supplémentaire due à la présence de Pistia stratiotes est inférieure à 10% de l'évaporation moyenne observée sur un bassin facultatif. Sur la base des résultats acquis dans cette étude, les recommandations suivantes peuvent être formulées. Pour réduire l'emprise au sol des bassins, la profondeur de ceux-ci peut être augmentée au-delà des 70 cm conseillés dans la littérature. Cette profondeur était proposée pour optimiser l'oxygénation des bassins et la dégradation aérobie. Selon nos résultats, l'abattement de la matière organique n'est pas corrélé à la disponibilité de l'oxygène et de plus, l'augmentation de la profondeur des bassins favoriserait la conservation de l'azote. Pour l'utilisation des effluents traités en irrigation restrictive (maraîchage), une combinaison judicieuse des bassins à microphytes et macrophytes est souhaitable, non seulement pour assurer la qualité des eaux des effluents, mais aussi pour limiter les contraintes liées à la gestion de la biomasse végétale. Durant cette thèse, les jalons d'un réseau de collaborations regroupant des chercheurs d'Afrique de l'Ouest et du Centre ont été établis. Les membres sont issus des équipes de recherche de l'Université Abdou- Moumouni de Niamey, l'Université Cheick Anta Diop de Dakar, l'Université de Yaoundé et l'Ecole Inter- Etats d'Ingénieurs de l'Equipement Rural au Burkina Faso. Plusieurs initiatives entreprises dans le cadre de cette étude en collaboration avec ces équipes de recherche méritent d'être approfondies, encouragées et soutenues.