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THÈSE NO 2653 (2002) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE À LA FA

THÈSE NO 2653 (2002) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TCHNIQUES DANS LE DOMAINE DES SCIENCES ET INGÉNIERIE DE L'ENVIRONNEMENT PAR DEA en sciences de l'environnement, Fondation Universitaire Luxembourgeoise, Arlon, Belgique et de nationalité ivoirienne acceptée sur proposition du jury: Prof. Ch. Holliger, directeur de thèse Mme A. Montangero, rapporteur Mme C. Seignez, rapporteur Prof. J. Tarradellas, rapporteur Prof. J.-L. Vasel, rapporteur Lausanne, EPFL 2002 EPURATION DES EAUX USÉES PAR LAGUNAGE À MICROPHYTES ET À MACROPHYTES EN AFRIQUE DE L'OUEST ET DU CENTRE: ETAT DES LIEUX, PERFORMANCES ÉPURATOIRES ET CRITÈRES DE DIMENSIONNEMENT Doulaye KONE A Madame Chantal SEIGNEZ A ma fille Yasmine A ma famille Lecocq en Suisse et en Belgique A ma famille en Côte d'Ivoire A l'amitié Remerciements Au terme de ce travail, j'aimerais remercier la coopération suisse (DDC) et le Ministère ivoirien de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique pour le soutien financier accordé à cette thèse. Grâce à Monsieur Laurent KRAYENBUHL, ex-Adjoint Scientifique à l'EPFL, mon rêve de réaliser ce projet de recherche en assainissement en Afrique s'est réalisé. Il a su m'écouter, m'orienter et m'introduire dans la coopération EPFL-EIER. Je le remercie pour cette chance qu'il m'a donné et aussi pour ces nombreuses marques d'amitié depuis notre rencontre. J'exprime ma profonde gratitude à mes directeurs de thèses Prof. Christof HOLLIGER et Mme Chantal SEIGNEZ du Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (EPFL) pour leur soutien inconditionnel, l'encadrement scientifique de ce travail et pour leur témoignage d'amitié sincère. Ils ont su m'initier aux bases fondamentales de biologie moléculaire et d'écologie microbienne, ce qui a non seulement enrichi mon travail mais aussi toute mon approche vis-à-vis des systèmes d'épuration. Je remercie également le professeur Paul PERINGER, Directeur du Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (EPFL) qui a eu confiance en mon projet de thèse et m'a accepté sans hésitation dans son équipe auprès de laquelle j'ai beaucoup appris. Pendant ces années de thèses, tous mes séjours au Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (EPFL) ont été des moments de réconfort et de revitalisation. J'ai eu beaucoup de plaisir à partager du temps agréable tant sur le plan du travail que sur le plan social avec tous les doctorants, les stagiaires et tous les collaborateurs du laboratoire : Mme Nevenka ADLER, Sylvie AUBERT, Mme Heidi BERNARD, Marc DERONT, Muriel GAILLARD, Siméon KENFACK, Jean-Pierre KRADOLFER, Miléna LAPERTOT, Julien MAILLARD, Sylvie MARCACCI, Dr. Sandra PARA, Roberta PAGLIARINI, Dr. César PULGARIN, Stéphanie PEREZ, ANGELA RINCON-BENAVIDES, Victor SARRIA, Dr. Theo SMITS, Katia SZYNALSKI et Benoit ZEN-RUFFINEN. Que toute cette formidable équipe trouve en ces quelques mots l'expression de mes chaleureux remerciements. J'adresse mes vives remerciements à Frédéric DAVOLI, Franck BOUVET et Jean-Marc FROEHLICH, coordinateurs de la convention EPFL-EIER, pour l'organisation de mes séjours en Suisse, la participation aux différentes conférences et les soutiens multiples. Au Burkina Faso, j'ai bénéficié de l'appui inconditionnel du Directeur Général du groupe EIER-ETSHER, Monsieur Philippe MANGÉ. Cet appui constant m'a dénoué plusieurs nœuds et faciliter mon séjour à l'EIER. Je lui adresse toute ma profonde gratitude ainsi qu'à Mme MILLOGO, Monsieur Jacques André MUHET et Monsieur Roger ESCULIER. J'ai beaucoup apprécié le soutien des Chefs du Laboratoire d'Analyses des Eaux et des Sols de l'EIER, Marie José Arnoux et Michèle Roche à qui j'adresse mes sincères remerciements. Elles m'ont ouvert les portes du laboratoire et faciliter mon travail. J'adresse également mes vives remerciements à BYLL-CATARIA, pour son aide précieuse et constante lors des campagnes d'analyses, à Monsieur Kokou DENIYGBA pour sa disponibilité, ses conseils et son aide au laboratoire et à Monsieur Omar SAWADOGO pour son aide indispensable. Je remercie le Dr. Cissé GUÉLADIO du Centre Suisse de Recherche Scientifique en Côte d'Ivoire qui m'a associé aux travaux de son équipe Epidémio-REU sur l'impact sanitaire de la réutilisation des eaux en maraîchage et pour son concours précieux au démarrage de mes recherches à l'EIER. J'exprime toute ma reconnaissance aux nombreux stagiaires qui ont partagé avec moi des moments difficiles de terrain, amis aussi des joies, et dont la contribution dans ce travail est inestimable. Ce sont : − de l'EPFL : Nathalie SÉMOROZ (1998-1999), Vincent LUYET (1999), Guillaume PIERREHUMBERT (1999-2000), Michael STEINER (2001-2002) − de l'EIER : Mohamed Lamine DICKO (1999) et Pierre N'DRI (2001) − de Lille, France : Claire L'HUILLIER (2002) Pendant les phases de terrain, j'ai bénéficié du concours précieux de Monsieur Kassoum ZIDA, qui a assuré l'entretien de la station expérimentale, son travail précis et consciencieux a permis d'acquérir les données dans les conditions optimales de fonctionnement. Au service Technique de l'EIER, je remercie vivement Monsieur Abdoulaye OUÉDRAOGO responsable du magasin, les équipes de soudure, de menuiserie et d'électricité. Je remercie les responsables de l'Office National de l'Eau et de l'Assainissement du Burkina Faso et les équipes du Centre Régional pour l'Eau Potable et l'Assainissement à faible coût (CREPA) pour m'avoir associé à leurs travaux et la franche collaboration que nous avons eue. Les jalons d'un réseau de chercheurs africains sur l'épuration des eaux usées ont été posés durant ces années de thèses. Les échanges dans ce réseau ont considérablement faciliter mon travail et enrichi mes données bibliographiques, je remercie tous les collègues membres fondateurs de ce réseau, ce sont : Dr.Yves M. KENGNE à l'Université de Yaoundé I, Dr. Sani M. LAOUALI de l'Université Abdou-Moumouni de Niamey, Dr. Tahar IDDER, Aquadev Niamey, et, Dr. Seydou NIANG, M. Becaye S. DIOP et Mbaye MBEGUERE de l'Université Cheick Anta Diop de Dakar. J'exprime toute ma reconnaissance au Professeur Jean-Luc VASEL de la Fondation Universitaire Luxembourgeoise qui m'a accueilli dans son laboratoire et conseillé dans la modélisation de l'épuration. J'adresse également mes sincères remerciements à tout les membres du jury de cette thèse pour leurs critiques constructives et l'intérêt porté à ce travail. Je rends hommage à Monsieur Mamadou TOURÉ et à sa famille. Ils m'ont accueilli et introduit à la vie au Burkina. Ils m'ont offert soutien et amitié pour résister "aux vagues de chaleur". Un comité de lecture international s'est proposé pour corriger et améliorer la lecture du manuscrit, je voudrais lui rendre un vibrant hommage, ce sont : − Ing Frédéric DAVOLI, Laboratoire de Chimie Environnementale (EPFL) − Dr. Marie GALMICHE, Laboratoire Biotechnologie Environnementale (EPFL) − Dr Joëlle PAING, Université Montpellier I − Mlle Monica RIEDER, Comité International Olympique De nombreux amis, qu'il ne serait pas possible de citer ici, m'ont soutenu durant ces années de thèse, m'aidant ainsi à tenir le cap. Que le seigneur les bénisse et les remplisse de joie et de bonheur. Cette thèse leur est dédiée. i Stabilization ponds and water lettuce-based systems in West and Central Africa - State of the art, removal performances and design criteria Abstract 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 BOD5/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. uploads/Science et Technologie/ epfl-th2653.pdf