TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE FOSSES SEPTIQUES PAR ...

Institut International d’Ingénierie Rue de la Science - 01 BP 594 - Ouagadougou 01 - BURKINA FASO Tél. : (+226) 50. 49. 28. 00 - Fax : (+226) 50. 49. 28. 01 - Mail : [email protected] - www.2ie-edu.org

TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE FOSSES SEPTIQUES PAR FILTRATION BIOLOGIQUE SUR UNE ROCHE VOLCANIQUE : ETUDES PRELIMINAIRES

MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU

MASTER D’INGENIERIE DE L’EAU ET DE L’ENVIRONNEMENT OPTION : EAU ET ASSAINISSEMENT

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Présenté et soutenu publiquement le Lundi 23 Juin 2014 par Mireize Emenique ALLADATIN Travaux dirigés par : Dr Harinaivo Anderson ANDRIA NISA Enseignant Chercheur, Docteur Laboratoire Eau, Dépollution, Ecosystèmes et Santé

Et Dr Yohan RICHARDSON

Enseignant Chercheur, Docteur Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburants Jury d’évaluation du stage : Président : Sylvie MOURAS Membres et correcteurs : Ygor OUEDRAOGO Hamma AMADOU Anderson ANDRIANISA

Promotion [2013/2014]

Traitement des effluents de fosses septiques par filtration biologique sur une roche volcanique : Etudes préliminaires

ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page I

DEDICACES

Je dédie ce travail à ma famille

A toi mon père chéri Clément ALLADATIN, qui m’a inculqué le

sens du travail bien fait, reçoit le présent travail comme un

grain du couronnement de tous tes efforts…

A toi ma brave mère Monique AGONGLO ; merci pour tous tes

sacrifices et ton soutien…

A mes frères et sœurs Clénique, Clavio, Cornellus, Lynda et

Christelle pour votre soutien…

A ma très chère Claire KINSI pour ton soutien, l’attention et la

bienveillance…

A mon cher Anson Kuassi Ted DOSSA pour ton soutien, ton as-

sistance et l’’attention…

A mes amis Rodrigue Rachad SONGBE, Luck Roland AHOUIS-

SOU pour votre soutien…

A Dieu soit la gloire pour l’éternitéA Dieu soit la gloire pour l’éternitéA Dieu soit la gloire pour l’éternitéA Dieu soit la gloire pour l’éternité ; merci Seigneur pour toutes tes ; merci Seigneur pour toutes tes ; merci Seigneur pour toutes tes ; merci Seigneur pour toutes tes

grâces renouvelées…grâces renouvelées…grâces renouvelées…grâces renouvelées…


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page II

REMERCIEMENTS

Mes sincères remerciements vont à l’endroit de :

L’Union Européenne et de toute l’équipe initiatrice et coordonnatrice du

projet PIMASO

Professeur Docteur Hamma Hamma Hamma Hamma YACOUBAYACOUBAYACOUBAYACOUBA, Coordonnateur général du projet

PIMASO et Directeur de la recherche au 2IE

Mes encadreurs Dr Harinaivo Anderson ANDRIANISAHarinaivo Anderson ANDRIANISAHarinaivo Anderson ANDRIANISAHarinaivo Anderson ANDRIANISA, Enseignant

Chercheur et Dr Yohan RICHARDSONYohan RICHARDSONYohan RICHARDSONYohan RICHARDSON Enseignant Chercheur pour leurs

disponibilités, appuis et conseils.

Mes coéquipiers N’zinga Mazebo MAMPUYA et Michel DIGBEU pour

leurs collaborations.

Docteur Yacouba KONATEYacouba KONATEYacouba KONATEYacouba KONATE, Enseignant-Chercheur à 2IE.

Monsieur Boukary SAWADOGOBoukary SAWADOGOBoukary SAWADOGOBoukary SAWADOGO et Monsieur Seyram Seyram Seyram Seyram SOSSOUSOSSOUSOSSOUSOSSOU, ingénieurs

de recherche, pour leur aide.

Messieurs, Noel TINDOURE, Noel TINDOURE, Noel TINDOURE, Noel TINDOURE, Sohamai Sohamai Sohamai Sohamai HEMMAHEMMAHEMMAHEMMA,,,, Bernard ZONGOBernard ZONGOBernard ZONGOBernard ZONGO, Pierre Pierre Pierre Pierre

KABOREKABOREKABOREKABORE, et Moustapha OUEDRAOGOMoustapha OUEDRAOGOMoustapha OUEDRAOGOMoustapha OUEDRAOGO personnels du laboratoire LEDES,

pour leur appui technique au laboratoire.

Tous mes compatriotes Béninois et amis dont les noms n’ont pu être cités

mais que je n’oublie pas.


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page III

RESUME

La fosse septique apparait comme l’ouvrage d’assainissement le plus adapté aux réalités de

l’Afrique en pleine croissance. Cependant les fosses septiques développées jusqu’à présent n’offrent

que des rendements épuratoires très peu satisfaisants en termes d’élimination de la matière orga-

nique (MO) contenue dans les eaux usées domestiques. La présente étude explore la performance

des roches volcaniques de Madagascar considérés comme un éco-matériau filtrant dans les fosses

septiques pour en améliorer les rendements épuratoires. Deux mécanismes d’élimination de la MO

sont étudiés : l’adsorption et la biodégradation (phase d’acclimatation). A travers des tests en réac-

teur batch puis en continu simulant le traitement d’une eau usée dans une fosse contenant des roches

volcaniques, l’évolution de la MO pendant la phase d’acclimatation a été étudiée. Le paramètre

analysé et considéré comme représentatif de la pollution organique est la DCO. A cet effet, une mé-

thode d’analyse originale, économique, simple et rapide par spectrophotométrie UV a été dévelop-

pée sur la base de la corrélation entre les surfaces des spectres UV des échantillons et leur DCO.

Les résultats montrent que la roche n’a pas une capacité d’adsorption de la MO très élevée en 5

heures. Sur des périodes de traitement plus longues de 20 jours, on constate une multiplication ex-

ponentielle des bactéries sans toutefois observer une élimination significative de la matière orga-

nique. Il est suggéré que ce phénomène serait dû à la phase d’acclimatation durant laquelle les bac-

téries produisent une quantité importante de polymères extracellulaires qui interfèrent avec les MO

de l’effluent, ce qui influence les concentrations de DCO.

Mots clés :

Eaux usées domestiques

Matières organiques

Biodégradation

Spectrophotométrie UV

Matériaux filtrants


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page IV

ABSTRACT

The septic tank appears as one of the sanitation facilities the most adapted to the realities of

growing Africa. However septic systems developed so far provide only very unsatisfactory

purifying efficiency in terms of removal of organic matter (OM ) contained in domestic

wastewater . This study explores the performances of volcanic rocks from Madagascar considered

as an eco-material filter to improve the purifying efficiency of septic tanks. Two mechanisms of

OM elimination were studied: adsorption and biodegradation. The evolution of the OM content in

the effluent during the acclimatization phase was studied in both batch and continuous reactors

which simulate the wastewater treatment in a septic tank containing volcanic rocks. The chemical

oxygen demand(COD) was selected as the parameter used for the organic pollution content

monitoring. For this purpose, an original UV spectrophotometry method, both economic and, easy

and by UV spectrophotometry has been developed on the basis of the correlation between the UV

spectra surfaces of the samples and their COD. The results show that the rock has not an adsorption

capacity of the MO during a contact time of 5 hours. During longer treatment periods of 20 days of

treatment, an exponential multiplication of bacteria is observed without significant removal of or-

ganic matter. It is suggested that this phenomenon is due to the acclimatization phase, during which

the bacteria produce a large amount of extra polymeric substances that interfere with OM from the

effluent and significantly impact the COD content.

Keys words:

Domestic wastewater

Organic matter

Biodegradation

UV spectrophotometry

Filtering material


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page V

LISTE DES ABREVIATIONS

°C : Degré Celsius

µm: micromètre

AFNOR : Association Française de Normalisation

CIPD+15 : Conférence internationale sur la population et le développement

DBO5 : Demande Biochimique en Oxygène

DCO : Demande chimique en Oxygène

EU : Eaux Usées

ml : Millilitre

mm : Millimètre

MO : Matière organique

nm : Nanomètre

ONU : Organisation des Nations Unies

PED : Pays en développement

Rpm : Rond par minute

TSA : Trypticase Soja Agar

UFC : Unité Formant Colonies

UV : Ultra-Violet


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page VI

TABLE DES MATIERES DEDICACES ....................................................................................................................................................................... I

REMERCIEMENTS.......................................................................................................................................................... II

RESUME .......................................................................................................................................................................... III

ABSTRACT ..................................................................................................................................................................... IV

LISTE DES ABREVIATIONS ......................................................................................................................................... V

TABLE DES MATIERES ................................................................................................................................................ VI

LISTE DES TABLEAUX ...............................................................................................................................................VII

LISTE DES PHOTOS ................................................................................................................................................... VIII

LISTE DES FIGURES .................................................................................................................................................. VIII

I. INTRODUCTION ........................................................................................................................................................... 1

I.1 Contexte et justification du thème ............................................................................................................................. 1

I.2 Problématique ............................................................................................................................................................ 2

I.3 Objectif de l’étude ..................................................................................................................................................... 2

II. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ..................................................................................................................................... 3

II.1 Définition et mode de fonctionnement d’une fosse septique toutes eaux................................................................. 3

II.2 Eco matériaux et traitement des eaux usées ............................................................................................................. 5

II.2.1 L’adsorption .................................................................................................................................................... 10

II.2.2 La biodégradation............................................................................................................................................ 10

III. MATERIEL ET METHODES .................................................................................................................................... 13

III.1 La roche volcanique : Origine et préparation des roches volcaniques .................................................................. 13

III.2 Description des dispositifs expérimentaux............................................................................................................ 14

III.3 Les eaux usées utilisées ........................................................................................................................................ 16

III.4 Expériences d’adsorption des matières organiques ............................................................................................... 16

III.5 Suivi de la croissance du biofilm .......................................................................................................................... 17

III.6 Expériences de biodégradation : Phase d’acclimatation ....................................................................................... 18

III.7 Analyse de la demande chimique en oxygène (DCO) .......................................................................................... 19

III.7.1 Première méthode : méthode normalisée ou de référence pour la DCO ........................................................ 20

III.7.2 Deuxième méthode : méthode alternative pour la détermination de la DCO ................................................. 20

III.8 Suivi des paramètres usuel .................................................................................................................................... 23

IV. RESULTATS ET DISCUSSIONS ............................................................................................................................. 24

IV.1 Caractérisation et identification de la roche.......................................................................................................... 24

IV.2 Equation de droite de la méthode alternative ........................................................................................................ 24

IV.3 Suivi des paramètres usuels .................................................................................................................................. 26

IV.4 Résultats expérience d’adsorption 1 ..................................................................................................................... 27

IV.5 Résultat Expérience d’adsorption 2 ...................................................................................................................... 28

Résultat expérience de biodégradation 1 : phase d’acclimatation ................................................................................. 30

IV.6 Résultat expérience de biodégradation 2 .............................................................................................................. 31

IV.7 Expérience de biodégradation 3 : Simulation d’un système continue d’acclimatation et de biodégradation ....... 32

IV.8 Suivi de la croissance du biofilm .......................................................................................................................... 33

VI. CONCLUSIONS ........................................................................................................................................................ 35


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page VII

V.RECOMMANDATIONS ET PERSPECTIVES ........................................................................................................... 36

VII. BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................................................... 37

VIII. ANNEXES .................................................................................................................................................................. i

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1: Principales méthodes spectrophotométriques UV pour la mesure de la qualité des eaux

résiduaires (Richardson, 2004) .......................................................................................................... 21

Tableau 2 : DCO (mg/L) – surfaces spectres ..................................................................................... 25

Tableau 3: Résultat du suivi des paramètres usuels des effluents des réacteurs ................................ 26

Tableau 4: Evolution de la croissance bactérienne du biofilm .......................................................... 34

Tableau 5: valeurs des concentrations de la DCO des effluents de R1 en fonction du temps .............. i

Tableau 6: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur témoin en fonction du temps ........... i

Tableau 7: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 5mm acclimatés en

fonction du temps ................................................................................................................................. ii

Tableau 8: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 5mm non acclimatés en

fonction du temps ................................................................................................................................. ii

Tableau 9: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 6,3 mm non acclimatés

en fonction du temps ........................................................................................................................... iii

Tableau 10: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 16mm non acclimatés

en fonction du temps ........................................................................................................................... iii

Tableau 11: Concentrations de la DCO des effluents du système continu en fonction du temps ...... iv


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 Page VIII

LISTE DES PHOTOS

Photo 1: Roche volcanique en bloc Photo 2: Roche volcanique concassée 14

Photo 3: Dispositif expérimental 1..................................................................................................... 14



Photo 6: Réacteurs pilotes anaérobies de fosse septique ................................................................... 16

Photo 7: Spectrophotomètre DR 5000 (crédit photo A. Emenique) .................................................. 23

Photo 8: Lame mince de la roche ....................................................................................................... 24

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Fosse septique toutes eaux classiques (bioxem-fosse-septique.com) .................................. 3

Figure 2 : Fosse septique toutes eaux avec matériaux filtrant (eawag- wsscc, 2009) .......................... 7

Figure 3 : Fosse septique toutes eaux traditionnelle suivi d'un dispositif de filtration (Agence

Qualité Construction ( AQC)) .............................................................................................................. 7

Figure 4: Réacteur anaérobie à chicane (RAC) (eawag- wsscc, 2009) ................................................ 8

Figure 5 : Coupe schématique en vue en plan et en élévation d'une fosse septique à la Malagasy ..... 9

Figure 6: Principe général de mise en place et de fonctionnement d'un biofilm ............................... 10

Figure 7: Mécanisme de fixation des bactéries sur un substrat (Schneider) ...................................... 12

Figure 8: Formation/détachement du biofilm microbien (Montana State University Center for

Biofilm Engineering, 07/ 11/ 2010) ................................................................................................... 12

Figure 9: Etapes formation de biofilm (INRA) .................................................................................. 13

Figure 10 : Courbes d’étalonnage et de validation ............................................................................ 25

Figure 11: Expérience d’adsorption 1 ................................................................................................ 27

Figure 12 : Adsorption sur roches de différentes granulométries ...................................................... 28

Figure 13: Adsorption sur roches de 5 mm acclimatées sur 33 jours ................................................ 29

Figure 14: Expérience de biodégradation 1 ....................................................................................... 30

Figure 15: Evolution de la DCO : Acclimatation 20 g/l de roches de 5mm sur 55 jours .................. 30

Figure 16: Evolution de la DCO : Acclimatation 20 g/l de roches de 5mm sur 55 jours .................. 31

Figure 17: Evolution DCO sur 5H dans le système continu .............................................................. 33

Figure 18: Evolution de la DCO dans le système continu sur 35 jours ............................................. 33

Figure 19: Courbes de la croissance du biofilm ................................................................................. 34


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 1

I. INTRODUCTION

I.1 Contexte et justification du thème

L’assainissement des agglomérations en matière des eaux usées, a pour objectifs d’assurer

leur évacuation rapide hors de portée de l’homme, de les rejeter dans les exutoires naturelles

sous des modes compatibles avec les exigences de la santé publique et de l’environnement.

Dans l’approche classique de l’assainissement inspirée des pratiques des pays développés, on

oppose fréquemment les filières d’assainissements collectives constituées des réseaux

d’égouts aux filières individuelles constituées de systèmes autonomes tels que les latrines et

les fosses septiques. Les pays développés sont tous tournés vers les systèmes d’assainissement

collectifs car ils répondent plus aux critères de gestion efficaces des eaux usées. Alors que les

rares infrastructures d’égouts existant dans quelques-uns des pays en développement (PED) et

particulièrement en Afrique ne couvrent qu’une infirme partie de la demande (Development

Research Brief, BAD, 2009). Mais dans les PED en général et en Afrique en particulier ; la

mise en œuvre des solutions adéquates et les interventions en matière d’assainissement des

eaux usées sont variables et dépendent de plusieurs facteurs à savoir :

o la densité de la population : enjeux et priorités varient selon que l’on considère des

zones urbaines d’habitats denses ou des zones rurales d’habitats dispersés ;

o le niveau de développement socio-économique : les capacités d’investissement et de

recouvrement des coûts d’exploitation des services varient d’un pays, d’une région à

l’autre et au sein des catégories sociales sur un même territoire ;

o la sensibilité des milieux récepteurs sur les plans hydrogéologique, pédologique et de

la biodiversité (pS-Eau/PFE, 2008).

A défaut donc des systèmes d’assainissement collectifs, l’accent est désormais mis sur les

systèmes autonomes, comme solutions majeures et immédiates à explorer pour l’accès des

populations urbaines africaines à l’assainissement (pS-Eau/PFE, 2008).

Le rapport CIPD+15 stipule que le taux de croissance démographique annuelle en Afrique est

de 2,3% (CIPD/15, 2009). Parallèlement à ça, on assiste en Afrique à l’émergence d’une

classe moyenne (1/3 de la population en 2010) entrainant le développement très rapide de

nouvelles zones résidentielles en milieux périurbains. Le rapport 2010 sur l’état des villes

africaines publié par l’ONU-habitat, indique que l’Afrique est la région du monde où

l’urbanisation de la population est la plus rapide (3,41% en moyenne par an), et qu’à partir de



2030, la population sera essentiellement dans les villes. Or en zone urbaine le système auto-

nome le plus prisé est le système des fosses septiques toutes eaux. Cette croissance de catégo-

rie de personne utilisant les fosses septiques aura pour conséquence inévitable un accroisse-

ment de la demande en fosses septiques afin de satisfaire ce besoin d’assainissement.

I.2 Problématique

L’insuffisance du traitement des effluents issus des fosses septiques est une énorme menace à

la santé humaine et à l’environnement. Les fosses septiques dans l’état actuel de leur configu-

ration constituent une source de contamination des eaux souterraines par des entéro virus et

autres pathogènes déclenchant ainsi des maladies hydriques (J.E. Scandura, 1997). Pourtant

ces systèmes sont réputés pour êtres chers et peu performants en termes d’éliminations des

matières organiques et pathogènes (Tchobanoglous G, 2003) (40-60% de la DBO).

L’intégration de filtres dans ces systèmes a été appliquée dans de nombreux pays pour amé-

liorer leurs performances. C’est le cas de l’utilisation d’un type de roche volcanique à Mada-

gascar. Mais aucune étude scientifique n’a pourtant encore été conduite pour déterminer la

performance réelle de cette roche. L’intérêt de ce travail est d’avoir des données scientifiques

sur la performance de ces roches et envisager la vulgarisation de leur utilisation dans la filière

de traitement complémentaire aux fosses septiques.

Ceci pourra d’une part améliorer la qualité des effluents issues de ces fosses pour qu’ils soient

respectueuse des normes de rejets environnementales. D’autre part permettre de concevoir des

systèmes de fosses septiques compactes performants qui permettront de pallier également au

manque d’espace auquel font face les populations.

La maitrise d’une technologie passe par la maitrise de chacun des facteurs clés de sa perfor-

mance. Pour cela il convient de partir sur de véritables bases scientifiques pour aboutir à la

conception d’efficaces filières épuratrices complémentaires aux fosses septiques. Tout ceci

avec une approche d’amélioration des fosses septiques et non de leur réinvention pour ne pas

changer l’habitude des gens. C’est dans cette logique que s’inscrit ce travail en s’inspirant de

ce qui se fait à Madagascar utilisant une roche volcanique comme filière complémentaire.

I.3 Objectif de l’étude

L’objectif général de ce mémoire de fin d’études est de faire des études préliminaires de per-

formances de la roche volcanique pour l’élimination par adsorption et biodégradation des ma-

tières organiques dans les effluents des fosses. Pour pouvoir atteindre cet objectif global nous

nous sommes fixés les objectifs spécifiques ci-après :

o Evaluer la capacité d’adsorption des matières organique par la roche



o Etudier la croissance bactérienne pendant la phase d’acclimatation et évaluer la capa-

cité de biodégradation des MO

o Etudier l’influence des caractéristiques telles que diamètre des grains et quantité de

roche utilisée sur les performances épuratoires

II. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

II.1 Définition et mode de fonctionnement d’une fosse septique toutes eaux

La fosse septique toutes eaux est un réservoir qui reçoit l'ensemble des eaux vannes (WC sa-

nitaires) et ménagères (cuisine, lavage). C’est un dispositif enterré dans le sol qui est généra-

lement divisé en deux compartiments : le premier de volume généralement double du second

assure la collecte, la décantation et la digestion des eaux usées et des excrétas, et le second

sert de zone tampon aux eaux usées partiellement traitées avant leur rejet dans un ouvrage

d’infiltration.

Figure 1 : Fosse septique toutes eaux classiques (bioxem-fosse-septique.com)

La fosse septique assure la liquéfaction partielle des matières polluantes concentrées dans les

eaux usées ainsi que la rétention des matières solides et des déchets flottants. Les matières

solides s’accumulent, en général, dans le premier compartiment et subissent une fermentation

anaérobie basique que l’on appelle " digestion ". Cette digestion entraîne la production de gaz

carbonique, d’hydrogène sulfureux et de méthane. A la surface, les bulles entraînent des parti-

cules de boues qui finissent par former une croûte appelée " chapeau ". Au fond, les matières



solides se déposent. Un conduit de ventilation doit donc assurer l’évacuation des gaz tandis

que des vidanges périodiques doivent permettre l’évacuation des matières solides.

Après ce premier compartiment, un deuxième reçoit les effluents décantés sous la forme d’un

liquide clair. Cependant, les eaux sortant de la fosse septique ne doivent surtout pas être con-

sidérées comme épurées. Ce type d’ouvrage n’assure qu’un prétraitement n’éliminant que très

peu, voire pas du tout, la pollution. En particulier, les germes bactériens ne sont absolument

pas arrêtés.

Après un certain temps, en général de 3 à 5 jours, si aucun ouvrage annexe n’est présent, le

liquide ainsi prétraité sort de la fosse et est évacué par des puits perdus ou des drains de terre

cuite disposés en tranchée.

Les fosses septiques sont conçues pour assurer l'immobilité du liquide, et faciliter la sédimen-

tation des matières solides en suspension ; dont on se débarrasse ensuite en enlevant périodi-

quement le dépôt. Tout dépend de la durée de rétention, des dispositifs d’arrivée et de sortie

du liquide ainsi que de la fréquence de vidange du dépôt. Lorsque de fortes chasses arrivent

dans la fosse, elles entraînent une concentration momentanément élevée de matières solides

en suspension dans l'effluent par suite du brassage que subissent les dépôts déjà constitués.

Les graisses, huiles et autres matériaux plus légers que l'eau flottent à la surface et constituent

une couche d'écume susceptible de se transformer en croûte assez dure. Les liquides se dépla-

cent alors entre cette croûte et le dépôt. En ce qui concerne la digestion des boues ; la matière

organique, présente dans les boues déposées et la couche d'écume, sont décomposées par des

bactéries anaérobies, qui les transforment pour une grande part en eau et en gaz. Les boues

déposées au fond du réservoir tendent à durcir sous le poids du liquide et des matières solides

qui les surmontent. Il s'ensuit que leur volume est très inférieur à celui des matières solides

contenues dans les effluents bruts qui entrent dans la fosse. Les bulles de gaz qui se dégagent

provoquent une certaine perturbation de l'écoulement. La vitesse du processus de digestion

croît avec la température, avec un maximum vers 35°C. L'utilisation de savon ordinaire en

quantité normale ne devrait guère affecter le processus de digestion (Mann, 1968). En re-

vanche, l'emploi de grosses quantités de désinfectant tue les bactéries, ce qui inhibe le proces-

sus.

Une grande partie des problèmes posés par les fosses septiques sont dus au fait qu'on néglige

trop souvent le traitement de ces effluents. Le liquide sortant de la fosse doit être admis dans

un ouvrage annexe (filtres bactériens, puits perdus, tranchées d’infiltration, lits filtrants, pla-

teaux absorbants…) pour un traitement plus poussé et respectueux de l’hygiène publique. Le

liquide des fosses septiques subit des modifications biochimiques, mais on n'a guère de don-



nées sur la disparition des micro-organismes pathogènes (Majumder, 1960).D’après le même

auteur bien que 80-90% des œufs d'ankylostomes et d'ascaris aient disparu des fosses sep-

tiques étudiées, 90% des effluents contenaient encore un nombre considérable d’œufs viables.

Les effluents sortant des fosses septiques sont anaérobies et contiennent un nombre important

de germes pathogènes pouvant constituer une source d'infection. Leur utilisation pour l'irriga-

tion des cultures ou leur décharge dans les canaux ou les drains de surface expose à des

risques et requiert la consultation des autorités sanitaires locales (Réseau Francophone sur

l'Eau et l'Assainissement).

II.2 Eco matériaux et traitement des eaux usées

L’utilisation des éco matériaux dans les systèmes de traitement de l’eau s’inscrit dans une

perspective de promotion du développement durable. C’est la promotion des technologies

efficaces à moindre coût utilisant des matières premières renouvelables et facilement acces-

sibles. Ce qui explique les nombreux travaux scientifiques sur l’utilisation soit des charbons

actifs issus de diverses biomasses, soit des éco matériaux géologiques dans le domaine du

traitement des eaux. Malgré la diversité de ces éco matériaux du point de vue de leur origine,

ils possèdent tous les caractéristiques intrinsèques utiles au traitement de l’eau et qui sont

entre autres la porosité et la surface spécifique élevée. L’éco matériau utilisé dans le présent

travail est une roche volcanique donc d’origine géologique. Les éco matériaux d’origines géo-

logiques utilisés dans le traitement des eaux sont entre autres la pierre ponce, les scories, le

sable, la pouzzolane, la polonite etc... Selon Anca-Andreea Balog dans un article de la 7ième

conférence interdisciplinaire en ingénierie de 2013 (INTER-ENG 2013) les pouzzolanes peu-

vent être scindées en deux grandes catégories. Celle naturelle qui comporte les cendres volca-

niques, les touffes volcaniques, les pierres ponces et les argiles ignées. Celle artificielle com-

portant la silice fumée, la cendre, les scories etc… (Anca-Andreea Baloga, 2014). Ces éco

matériaux ont une porosité continue ainsi l’eau et l’air peuvent transiter facilement à travers

leurs interstices. Aussi cette porosité de ces matériaux offre un environnement adéquat pour la

croissance bactérienne. Plusieurs bactéries peuvent vivre et cohabiter à l’intérieur et sur la

surface de ces matériaux en présence continue d’eau ; aussi bien des bactéries aérobies

comme les nitrobactéries, les méthanobactéries et les dénitrifiant, comme les bactéries anaé-

robies. En raison de la présence d’une grande population de bactéries à l’intérieur qu’à

l’extérieur de ces matériaux, ils peuvent servir pleinement de biofilm pour la dégradation des

polluants de l’eau et entrainer ainsi sa purification (Chen Zhishan, 2003).



Les recherches scientifiques utilisant les éco matériaux d’origine géologique pour le traite-

ment des eaux usées portent souvent sur l’élimination des polluants industriels persistant spé-

cifiques. Aussi une récente étude utilisant deux filtres l’un à base de la polonite qui est une

roche détritique et l’autre à base des touffes volcaniques ; a donné de bons résultats pour

l’abattement du phosphore, de la DBO, du COT et des entérocoques (Charlotte Nilsson,

2013). Une autre étude utilisant un réacteur à lit de pierre ponce qui est aussi une roche volca-

nique donne une performance de 97,1% pour l’élimination du formaldéhyde et 88% pour

l’abattement de la DCO. La même étude stipule que cet éco matériau est un support pratique

et économiquement adéquate pour les bioréacteurs, très favorable aussi au développement des

biofilms (Sh. Ebrahimia M. B., 2011). Les performances de la pierre ponce et du sable pris

séparément d’une part et d’autre part en combinaison dans une étude comparative sont satis-

faisantes. Le filtre à pierre ponce élimine la turbidité à hauteur de 98,5%, les abattements des

E.coli sont du même ordre pour tous les filtres et varient de 0,9 à 1,8 Ulog et de 1,4 à 3,3 Ulog

(K. Ghebremichael, 2012). L’intérêt de ces différentes études pour la nôtre est que le matériau

sur lequel nous travaillons est une roche volcanique de Madagascar dont une analyse macros-

copique montre une similarité entre ses propriétés physiques macroscopiques et celles des

matériaux utilisés dans ces études ci-dessus citées.

Les technologies de conception de fosses septiques connaissent des modifications dans le

temps en passant des modèles classiques à des modèles améliorés. La tendance actuelle un

peu partout dans le monde ou les fosses septiques sont utilisées est d’une part l’ajout d’un

système de traitement complémentaire comportant des matériaux filtrants dans ces fosses telle

que le montre la figure 2. Un massif filtrant est déposé dans le second compartiment de la

fosse. Ainsi les effluents sortant du premier compartiment transitent par les matériaux filtrants

avant de sortir.



Figure 2 : Fosse septique toutes eaux avec matériaux filtrant (eawag- wsscc, 2009)

D’autre part avec l’évolution des technologies on assiste à l’ajout carrément d’un comparti-

ment dans la filière des fosses septiques constitué soit d’un lit de sable, d’un lit de gravier

avec ou sans tranchées d’infiltration. L'effluent, liquide mais non épuré, est alors dirigé vers

un épurateur, ou filtre bactérien, pour y être lentement filtré, à travers des granulats minéraux

(mâchefer, pouzzolane, scories), et dépollué par l'action de bactéries aérobies. On rencontre

divers types d'épurateurs, selon la place disponible et l'environnement : épurateur vertical,

épurateur à cheminement lent (horizontal à chicanes), ou plateau absorbant (dit plateau tellu-

rien). L'effluent épuré peut alors être dispersé dans le sol par un épandage à faible profondeur,

ou par un puit filtrant.

Figure 3 : Fosse septique toutes eaux traditionnelle suivi d'un dispositif de filtration (Agence Qualité Construction ( AQC))



Un autre type de technologie appelé réacteur anaérobie à chicane a été aussi développée. Elle

comporte en son sein une filière de traitement complémentaire des eaux à la sortie du premier

compartiment de la fosse septique. C’est une fosse septique améliorée en raison de la série de

chicanes à travers lesquelles les eaux usées sont forcées de couler. Le temps de contact élevé

avec la biomasse active (boues) améliore le traitement. Les chambres à flux ascendant four-

nissent une élimination et une digestion additionnelles de la matière organique.

Figure 4: Réacteur anaérobie à chicane (RAC) (eawag- wsscc, 2009)

Au Bénin par exemple du charbon de bois est généralement utilisé pour tapisser le fond du

deuxième compartiment des fosses septiques et des puis à fond perdu. Ceci en vue de réduire

la charge organique et microbienne des eaux usées avant leur infiltration dans le sol. À Mada-

gascar, les roches volcaniques sont utilisées depuis des décennies dans les fosses septiques

comme filtre biologique sur lequel les bactéries se développent pour dégrader la matière orga-

nique. En effet une fosse de 5 mètres de profondeur et d’environ 3 mètres de diamètre est

remplie de roches volcaniques appelé « mâchefer » par les malgaches de Betafo ou d’Itasy

(deux régions du Madagascar) et du « Vato boda » (granite à orthose ou silicate d’alumine

sodi-potassique hydraté, altéré) (Rakotondrainibe, 2008). La figure 5 ci-dessous nous donne

un aperçu sur la configuration d’une fosse septique à la malagasy en vue en plan et en éléva-

tion. Les eaux usées après avoir traversées les deux premiers compartiments passent par un

troisième compartiment rempli des roches avant d’aller vers les ouvrages d’infiltration. Mais

les performances réelles de ces matériaux sur la qualité des effluents sortant de la fosse n’ont

pas été démontrées. Aussi des précisions sur les quantités exactes de matériaux à utiliser en



fonction des dimensionnements des fosses n’existent pas. Les fosses sont remplies en fonction

du pouvoir d’achat de celui qui construit sa maison.

Figure 5 : Coupe schématique en vue en plan et en élévation d'une fosse septique à la Malagasy

Les caractéristiques macroscopiques physiques de la roche et la nature des effluents domes-

tiques nous donnent une idée sur le mécanisme réactionnel aérobie qui prévaut dans une fosse

les contenant, en similarité avec le fonctionnement des filtres biologiques. L’élimination de la

matière organique dans les filtres biologiques est imputable à deux phénomènes essentiels à

savoir l’adsorption et la biodégradation.



Figure 6: Principe général de mise en place et de fonctionnement d'un biofilm

II.2.1 L’adsorption

Selon J.C Morell, 1936 l’adsorption est un phénomène par lequel un solide (adsorbant) fixe

des molécules d’un corps (adsorbat) de phase liquide ou gazeuse (J.C.Morell, 1936).

L’adsorption, est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules de gaz ou

de liquides se fixent sur une surface solide selon divers processus plus ou moins intenses

grâce aux interactions de Van der Waals, de l’attraction électrostatique ou de façon occasion-

nelle, des liaisons chimiques.

Si le solide est poreux comme la roche volcanique et contient de nombreuses capillarités, la

substance adsorbée peut pénétrer dans les interstices. Les adsorbants possèdent des caractéris-

tiques physiques intrinsèques à savoir : la porosité interne, la fraction de vide externe corres-

pondant à un garnissage en vrac ; la masse volumique apparente de la couche en vrac, la

masse volumique de la particule, la masse volumique vraie, la surface spécifique des pores, le

rayon moyen des pores. Ce sont ces caractéristiques qui sont responsable de la capacité du

matériau à adsorbé. Elle est plus accentuée en présence de micropores.

II.2.2 La biodégradation

La biodégradation est la décomposition de matières organiques par des micro-organismes tels

que les bactéries, les champignons et les algues qui forment un biofilm. On parle de biofilms

pour désigner le développement de communautés de microorganismes (bactéries, algues,



champignons et/ou protozoaires). Pour qu'un biofilm se développe, il faut d'abord qu'un mi-

croorganisme se fixe sur un substrat et un temps d’acclimatation. Tous les microorganismes

possèdent des moyens de s'accrocher à un substrat, même s'ils sont essentiellement plancto-

niques ou libres. Le biofilm est formé quand les bactéries et autres microorganismes

s’attachent à la surface et se multiplient par réplication (Costerton, 1995). Un biofilm est

constitué de micro-organismes adhérant à une surface ou une interface en milieu humide ou

aqueux (Costerton, 1995), on parle alors de communautés microbiennes sessiles ou fixés ou

encore benthiques. Les bactéries établissent une relation forte d'adhérence à la fois avec le

substrat sur lequel ils se développent. Il a été démontré que plus de 99% des bactéries se déve-

loppent en biofilms (J.W. Costerton, 1994) sur une grande variété de surfaces telles que les

métaux, les plastiques, les tissus vivants (tissus humains, feuilles et racines des végétaux), les

surfaces minérales (pierres, bétons).

Les bactéries benthiques, possèdent, des dispositifs d'adhésion efficaces sous la forme d'abord

des pili et des fimbriae, mais aussi grâce à des protéines membranaires que l'on appelle adhé-

sines. Diverses explications aident à comprendre les mécanismes d'adhésion des matières pol-

luantes sur les substrats, en particulier la théorie de Derjaguin, Landau, Vervey et Over Beek

(DLVO) qui met en avant le rôle des charges électriques dans les interactions entre les parti-

cules chargées et les macromolécules. C’est encore appelé le quorum sensing basé sur le prin-

cipe de la masse critique (figure 7). Dans un deuxième temps, les bactéries produisent des

protéines ligands (pili) grâce auxquelles elles vont installer une adhésion durable avec le subs-

trat. Certains microorganismes, incapables de produire ces ligands, vont simplement s'accro-

cher aux individus des espèces bactériennes qui sont capables de le fabriquer. Lorsqu'un

nombre significatif d'organismes sont solidement fixés, il va se produire deux phénomènes

concomitants : la sécrétion proprement dite du biofilm, c'est-à-dire de la matrice protéique et

polymérisée dans laquelle les organismes fixés vont se reproduire et former des colonies im-

briquées. A partir de ce moment, le biofilm s'épaissit et s'enrichit de diverses autres espèces

de bactéries, d'algues, de champignons et de protozoaires, y compris de prédateurs ou des

parasites lesquels assurent une relative régulation du micro écosystème en devenir (figure 8).



Détection de la densité des cellules

en utilisant des signaux de cellule-à-

cellule dépendant de la taille de la

population.

Quand le signal atteint une certaine

concentration critique, il active un

régulateur transcriptionnel qui induit

des gènes cibles spécifiques.

La nature et donc la fonction des

molécules signalant les échanges de

cellule-à-cellule changent à partir

d'une concentration donnée des bac-

téries.

Communication intercellulaire ou sociomicrobiologie

Figure 7: Mécanisme de fixation des bactéries sur un substrat (Schneider)

Figure 8: Formation/détachement du biofilm microbien (Montana State University Center for Biofilm Engineering, 07/

11/ 2010)



Figure 9: Etapes formation de biofilm (INRA)

Une des particularités les plus intéressantes des biofilms est que le passage de statut d'orga-

nisme dispersé à celui d'organisme fixé modifie sensiblement le fonctionnement métabolique

des espèces. Il se forme une matrice dans laquelle sont englués les microorganismes (figure

9). D'abord la matrice est un obstacle physique efficace contre la pénétration d'agents anti

microbiens, de détergents, de désinfectants ou d'antibiotiques. Ce qui rend les biofilms inté-

ressants pour le traitement des eaux usées domestiques souvent chargées en ces diverses subs-

tances citées. De plus le fonctionnement des biofilms dans une fosse septique ne nécessite pas

l’utilisation d’énergie contrairement aux systèmes de boues activées. Donc l’exploitation du

système est économiquement acceptable et du point de vu fonctionnement adéquat pour la

population.

III. MATERIEL ET METHODES

Nous avons eu à faire une revue bibliographique sur le sujet et les expérimentations à mener

afin de mieux les appréhender et avoir une connaissance de l’existant. Egalement nous avons

pu asseoir les différentes approches méthodologiques à utiliser pour mener nos expérimenta-

tions et analyses diverses. Le travail à consister d’une part à conduire des expériences

d’adsorption et de biodégradation des matières organiques résiduelles en laboratoire par la

roche volcanique et d’autre part à faire des analyses physico-chimiques et l’étude cinétique de

la croissance du biofilm.

III.1 La roche volcanique : Origine et préparation des roches volcaniques

Elle a été collectée à Madagascar sur un massif volcanique dans la région d’Antsirabe. Com-

munément appelé mâchefer elle a été identifiée et caractérisée au laboratoire de géologie ap-

pliquée de l’Université de Ouagadougou. La roche a été préalablement pesée, ensuite concas-

sée et tamiser avec des tamis normalisés AFNOR au laboratoire de génie civil de 2IE. Les

diamètres des mailles des tamis utilisés sont compris entre 0,315 et 16 mm. Ceci nous a per-



mis d’obtenir différentes classes granulométriques. Chaque classe granulométrique a été lavée

à l’eau de robinet puis à l’eau distillée pour enlever les impuretés incrustées dans les pores.

Après le lavage les granulés (emballés dans des papiers aluminium) ont été mis au four pour

séchage à 105 °C pendant 24 heures. La photo 1 montre un morceau de la roche à l’état brute.

Celle 2 montre une classe granulométrique après concassage et tamisage.

Photo 1: Roche volcanique en bloc Photo 2: Roche volcanique concassée

III.2 Description des dispositifs expérimentaux

Au total trois (3) types de dispositifs ont été utilisés.

Le dispositif expérimental 1 :

Il est montré par la photo 3 ci- après. Il est constitué de trois erlenmeyers de 250ml et d’une

table d’agitation magnétique. Les erlenmeyers sont recouvertes de papier aluminium. Ce dis-

positif a pour objectif de conduire l’expérience d’adsorption 1.

Photo 3: Dispositif expérimental 1

Le dispositif expérimental 2 :



Il est représenté par la photo 4. Il est constitué d’une table d’agitation magnétique et de cinq

béchers recouverts de papier aluminium contenant un récipient en PVC. Le récipient est con-

çu à partir d’un tuyau en PVC. Il est tapissé au fond par un filet fin en plastique et sert de sup-

port aux granulées de roches et les protège du contact du barreau aimanté. Ce dispositif a pour

objectif de conduire l’expérience d’adsorption 2.


Le dispositif expérimental 3

Représenté par la photo 5 ; il est composé d’un bidon plastique de 500ml reposant sur son

bouchon et ouvert par le haut. Il est rempli au 1/6ième de son volume par la roche. Ce dispositif

a pour objectif de conduire l’expérience sur la simulation du système continu.




III.3 Les eaux usées utilisées

Les EU utilisées pour les expérimentations sont collectées à la sortie d’un réacteur anaérobie

dont le fonctionnement est similaire à celle d’une FS implanté au Campus de Ouagadougou

de la Fondation 2iE. C’est le réacteur anaérobie 1(R1). Il est actuellement testé pour le traite-

ment biologique des EU domestiques. Ces EU proviennent de la cité qui héberge les étudiants

du campus. La photo 6 ci-dessous montre le réacteur R1 qui est en série avec un autre réacteur

R2 et la vanne de prélèvement des échantillons à la sortie de R1.

Photo 6: Réacteurs pilotes anaérobies de fosse septique

III.4 Expériences d’adsorption des matières organiques

L’adsorption des matières organiques par la roche a été étudiée dans des réacteurs batch. Au

total deux différentes expériences ont été conduites pour l’étude de l’adsorption.

Expérience d’adsorption 1

Trois erlenmeyers de 250 millilitres (ml) ont été recouvertes de papier aluminium pour créer

les conditions d’obscurité et limiter la pénétration des rayons lumineux. Des granulés de roche

de 5mm de diamètre sont pesés et renversés dans les erlenmeyers de façon à obtenir des con-

centrations de roche de 0 (témoin), 20 et 50 gramme par litre (g/l). Ensuite un même volume

d’eaux usées de 250 ml a été ajouté dans chacun des erlenmeyers au même moment. La tem-

pérature de travail est ambiante (25± 2°C) ; avec une agitation magnétique de 350 tours par

minutes (RPM). Des échantillons de 10 ml ont été prélevés au bout de 30mn, 1h, 2 h, 3 h et 4

heures de chacun des erlenmeyers. On a supposé que l’équilibre s’obtient au bout de 4heures.

Chaque échantillon a été filtré avec une membrane de 0,45 micromètres (µm) pour l’analyse



de la DCO. La mesure de la DCO a été faite suivant deux méthodes. D’une part avec la mé-

thode standardisé AFNOR et d’autre part avec une méthode alternative que nous avons déve-

loppé au cours de notre étude. Cette méthode sera développée un peu plus bas.

Expérience d’adsorption 2

Dans cette expérience la performance des roches suivant plusieurs granulométries a été testée.

Le volume d’un même récipient a servi de mesure de volume pour les différentes granulomé-

tries testées. Cinq différents test ont été conduits en simultané à savoir : un (1) témoin conte-

nant uniquement le dispositif et l’échantillon d’eau usée ne contenant pas de roches ; un (1)

dispositif contenant 17 g de granulés de roches de 5mm de diamètre et préalablement acclima-

tées pendant 33 jours pour le développement du biofilm ; un (1) dispositif contenant 17 g de

granulés de roches non acclimatés de 5mm de diamètre ; un (1) dispositif contenant 20 g de

granulés de roches de 6,30 mm de diamètre ; un (1) dispositif contenant 31g de granulés de

roches de 16 mm de diamètre. Les roches ont été mises en suspension à l’intérieur d’un bé-

cher de 100ml (voir dispositif expérimental 2). Les béchers sont recouvert par du papier alu-

minium pour limiter la lumière qui traverse le système. Ils ont été disposé ensuite sur une

table d’agitation magnétique à 250RPM. 100 ml d’EU sont versées dans chacun des disposi-

tifs au même moment. La température de travail est de 25 °C ±2. L’agitation permet un

mixage lent et amène les matières organiques au contact des matériaux et aussi l’aération du

milieu. A chaque heure 10ml d’échantillons sont prélevés de chaque dispositif, filtré avec une

membrane GFC de 0,45 µm en vue de la détermination de la DCO.

III.5 Suivi de la croissance du biofilm

La dégradation de la matière organique dans cette étude étant essentiellement dû à l’action des

microorganismes ; l’étude de la croissance du biofilm a été abordée. Pour le suivi de la crois-

sance du biofilm la méthode de culture bactérienne sur un milieu de culture a été utilisée. Le

milieu de culture non sélectif Trypticase Soy Agar (TSA) est celui utilisé au cours de ce tra-

vail. A différents temps de l’évolution des expériences un volume de 100 microlitre (µl) de

biofilm est prélevé. Le prélèvement est fait à l’aide d’une micropipette muni d’un cône

d’aspiration. Le bout du cône est plongé à environ 2 centimètres de profondeur de l’amas de

roche et au contact de la surface d’un granulé de roche pour prélever les 100 µl. Après des

dilutions successives adéquates, nous effectuons un ensemencement en surface sur des boites

de pétri contenant le milieu de culture puis nous incubons à 37 °C. Après 24 heures

d’incubation nous procédons au comptage des colonies. La concentration totale en microor-



ganismes présent dans chaque échantillon est une moyenne pondérée à partir des résultats des

dilutions successives. Elle est obtenue par la formule ci –après.

[�] =n × 100

×

Avec :

[N] la concentration en microorganismes exprimée en UFC/0,1 ml

n le nombre de colonies

V le volume d’essai exprimé en ml

d le taux de dilution

III.6 Expériences de biodégradation : Phase d’acclimatation

Pour l’étude de la biodégradation au total trois (3) différentes expériences ont été conduites.

Expérience de biodégradation 1 : Phase d’acclimatation

Les dispositifs utilisés dans l’expérience d’adsorption 1 sont mis au repos sans agitation après

la phase d’adsorption. Ensuite un suivi de l’évolution de la DCO, de l’oxygène dissous, du

pH, de la température et du potentiel redox est fait. Le système a été alimenté avec de nouvel

effluents tous les 4jours pendant la première semaine. Au 10ième jour d’acclimatation les maté-

riaux ont été transvasés dans des tubes coniques de 50 ml. Ceci pour augmenter le contact

entre les matériaux afin d’augmenter les conditions favorables au développement du biofilm.

Du 10ième au 13ième jour nous avons effectué un retrait journalier de 25ml d’échantillon suivi

d’une alimentation journalière de 25 ml avec un effluent nouveau. A partir du 13ième jour nous

sommes passés à un volume de retrait journalier de 15ml et une alimentation journalière de 15

ml d’effluent nouveau. Le suivi de l’évolution de la croissance du biofilm a été réalisé.

Expérience de biodégradation 2 : Phase d’acclimatation

Les mêmes matériaux qui ont servi à conduire l’expérience d’adsorption 2 ont servi pour

conduire celles d’acclimatation 2. Après les 5 heures d’adsorption, les systèmes ont été réali-

mentés avec l’eau usée brute. Le système est maintenu sous agitation continue à 250 RPM.

Nous avons effectué un retrait journalier de 25 ml d’échantillon et une alimentation journa-

lière de 25 ml d’effluent nouveau pour un temps de rétention hydraulique théorique de quatre

(4) jours pendant 14jours. Au 14ième jour on est passé à une fréquence d’alimentation de

deux (2) jours. On effectue tous les deux jours un renouvellement de 50ml d’échantillon pour

un même temps de rétention hydraulique de 4 jours. Avant chaque nouvelle alimentation les

mesures telles que le pH, la température, l’oxygène dissout, le potentiel redox sont effectuées



sur chaque système et sur l’échantillon d’alimentation. La DCO des échantillons soutirés du

système filtré, et celui de l’alimentation ont été chaque fois estimés.

Expérience de biodégradation 3 : Simulation d’un système continue d’acclimatation et

de biodégradation

Un bidon plastique de 500ml reposant sur son bouchon et ouvert par le haut est rempli au

1/6ième de son volume par 50g de roches de trois granulométries différentes de la plus petite

au plus grand en partant du haut (voir dispositif expérimental 3). 100 ml d’effluent ont été mis

en contact des matériaux sans agitation. 5h après 10ml d’échantillon ont été prélevés par le

bas dans un bécher et filtrer avec une membrane de 0,45 µm. En effet le bouchon est légère-

ment dévisser et l’écoulement se fait de façon gravitaire à faible débit. Le filtrat est utilisé

pour déterminer la DCO. On a effectué ensuite un retrait journalier de 80 ml d’échantillon et

une alimentation journalière de 80 ml d’effluent nouveau pour un temps de rétention hydrau-

lique de 1,25 jusqu’au 24ième jour. A partir du 25ième jour nous sommes passés à une fréquence

de retrait de 50 ml d’échantillon et une alimentation de 50ml d’effluent nouveau pour un

temps de rétention hydraulique théorique de quatre (4) jours. Le suivi de l’évolution de la

croissance du biofilm a été réalisé. Avant chaque nouvelle alimentation les mesures telles que

le pH, la température, l’oxygène dissout, le potentiel redox sont effectuées sur l’effluent sor-

tant et sur l’échantillon d’alimentation. La DCO de l’échantillon soutiré du système, et celui

de l’alimentation ont été chaque fois estimés.

METHODES ANALYTIQUES

III.7 Analyse de la demande chimique en oxygène (DCO)

L’évaluation de la performance de la roche s’est basée sur la dégradation de la matière orga-

nique. Pour la détermination de la plupart des paramètres physico-chimiques, on peut distin-

guer deux types de méthodes de mesure : les méthodes normalisées ou de référence et les mé-

thodes alternatives (Richardson, 2004). Suivant la méthode de référence la DCO est obtenue

par oxydation par voie chimique de la matière organique et de certains composés minéraux.

La DCO est le paramètre essentiel sur lequel s’est basée notre étude pour évaluer la dégrada-

tion de la matière organique. En effet elle a été déterminée suivant deux méthodes différentes.

La DCO a été mesurée d’une part par la méthode normalisée pour l’établissement d’une

courbe d’étalonnage ayant servi à obtenir par la méthode alternative la concentration en DCO

des échantillons au cours des différentes expériences. La méthode normalisée nous a permis



d’aboutir à celle alternative par l’établissement d’une équation mathématique basée sur

l’exploitation du spectre UV appliquée à la qualité de l’eau.

III.7.1 Première méthode : méthode normalisée ou de référence pour la DCO

La méthode de référence utilisée au cours de notre étude pour la détermination de la DCO des

eaux est la méthode AFNOR T91K conformément à la norme française.

III.7.2 Deuxième méthode : méthode alternative pour la détermination de la DCO

Par opposition aux méthodes usuelles de référence, les procédures alternatives ont pour objec-

tif d’obtenir des résultats équivalents d’une façon plus simple et plus rapide. Elles sont en plus

généralement moins coûteuses et adaptables à l’analyse sur site, souvent plus appropriée aux

besoins en analyse environnementale. En prenant en compte différents critères comme la ra-

pidité (il faut 5 jours pour la mesure de la DBO5 et 2 heures pour la minéralisation de la

DCO), l’équipement nécessaire ou le coût de l’analyse les méthodes normalisées paraissent

moins adaptées. Pour pallier à cet état de choses de nombreuses méthodes alternatives ont été

développées.

Les méthodes alternatives sont soit, dérivées des méthodes de référence correspondantes, soit

basées sur un principe analytique différent. Les tests en tube (mesure de la DCO, des ni-

trates,…) ou en bandelettes (dosage du cuivre, du zinc,…), la turbidimétrie pour l’estimation

des matières en suspension, constituent des exemples de méthodes alternatives.

Parmi les différentes méthodes alternatives, certaines utilisent des techniques spectrales parmi

lesquelles la spectrophotométrie ultra-violet (UV). La majorité des polluants organiques, ainsi

que certains composés minéraux, possèdent des liaisons chimiques insaturées ou des groupes

chromophores qui absorbent dans le domaine du proche UV (entre 200 et 350 nm).

L’analyse par spectrophotométrie UV est donc une méthode alternative adaptée à la détermi-

nation de certains paramètres de qualités des eaux (Richardson, 2004). Afin de mieux cerner

la méthode alternative que nous avons utilisée il parait opportun de faire un bref aperçu sur la

spectrophotométrie UV appliquée à la qualité de l’eau.

o Spectrophotométrie UV et qualité de l’eau : principe

Le spectre d’absorption UV d’une eau résiduaire est le résultat de deux phénomènes. Le pre-

mier est le phénomène d’absorption due à la présence de molécules organiques et inorga-

niques possédant des groupes fonctionnels permettant des transitions électroniques dans le

proche UV. Ces composés sont des composés organiques insaturés ou liés à des hétéroatomes

(oxygène, azote, soufre ou halogène). Cette absorption est basée sur la loi de Beer Lambert



valable pour une solution diluée et homogène. Le deuxième phénomène intervenant dans le

spectre UV de l’eau est la diffusion due à l’hétérogénéité du milieu causée par la présence de

particules en suspension et de colloïdes. Cette absorption diffuse est fonction de la concentra-

tion en matériel hétérogène, mais également de la nature et surtout de la taille des particules.

o Méthodes d’exploitation du spectre UV appliqué à la qualité de l’eau

L’usage de la spectroscopie UV pour le contrôle de la qualité des eaux, a fait lieu de nom-

breux travaux de recherches. Le tableau 1 présente les principales méthodes développées, de

la plus simple à la plus compliquée. C’est cette méthode que nous avons plus utilisée dans

cette étude pour le suivi de la DCO de nos échantillons tout au long des expérimentations.

Tableau 1: Principales méthodes spectrophotométriques UV pour la mesure de la qualité des eaux résiduaires (Richardson, 2004)

Procédure Longueur(s) d’onde (nm)

Paramètres Applications Auteurs

Absorptiométrie à une longueur

d’onde

254 COT Eau résiduaire urbaine brute et traitée

Dobbs et al, 1972

254 DCO Eau résiduaire urbaine et industrielle

Mrkva, 1975

Absorptiométrie à deux longueurs

d’ondes

254 et 350

254 et 580 DCO, COT Eau résiduaire urbaine

Matshé et Stumwôher,

1996

Dérivée première 215-225 Nitrate Eau résiduaire traitée Thomas, 1986

Dérivée seconde 250-300 Phénol Eau résiduaire Hawthorne et al, 1984

Restitution Polynomiale

des interférences

205-250 Nitrate Eau résiduaire traitée Thomas et al, 1990

250-450 Chrome IV Eau résiduaire Thomas et al, 1990

Dé convolution 205-330

COT, DCO, DBO, MES

Eau résiduaire urbaine brute et traitée, eau de sur-

face

Thomas et al, 1993 ; Thomas et al, 1996

Eau résiduaire industrielle El Khorassani et al,

1999

Nitrate Eau résiduaire urbaine, eau de surface

Thomas et al, 1993 ; Thomas et al, 1996

Chrome IV Eau résiduaire industrielle El Khorassani et al,

1999

Sulphure mi-

néral Eau résiduaire industrielle Pouly et al, 1999

Détergents Eau résiduaire urbaine brute et traitée

Théraulaz et al, 1996

Procédé de contrôle et

Eau résiduaire industrielle El Khorassani et al,

1999



système

d’alarme

Couplage UV/UV

205-330 NH4+, Norga-

nique Eau résiduaire urbaine et

industrielle Roig et al, 1999

200-350 Test de traita-bililté

Eau résiduaire industrielle Castillo Rivera et al,

1999

Couplage UV/Vis

380-450 PTotal Eau résiduaire urbaine et industrielle

Roig et al, 1999

Application de la Méthode alternative à la DCO dans notre étude

Des échantillons d’eaux usées ont été prélevés sur différents jours du réacteur pilote (R1) de

fosse septique utilisé pour notre étude. Sur chaque échantillon filtré a été faite des dilutions

successives avec des facteurs de dilution de 2, 3, 4, 6, 8 et 10 afin d’avoir plusieurs données

pour l’étalonnage de la courbe. Dans un premier temps la DCO suivant la méthode normalisée

a été effectuée sur chaque échantillon du filtré simple aux dilués. Ensuite les valeurs des DCO

correspondant à chaque échantillon ont été lu avec le programme intégré DCO du spectropho-

tomètre DR 5000 représenté par la photo 7.

Parallèlement avec le programme balayage longueur d’onde du spectrophotomètre ; nous

effectuons un balayage entre les longueurs d’ondes de 300 et 400 nm des absorbances respec-

tives de chacun de ces échantillons dans l’UV visible. Les données des spectres ont été enre-

gistrés directement du spectrophotomètre sur une clé USB et transférer sur Microsoft office

Excel pour le traitement.

o Traitement des données :

� Calcul des aires sous-spectre (As). La surface de chaque spectre obtenue est

automatiquement calculée et enregistrée en tant que intégrale dans la base de

données recueillie du spectrophotomètre. Ainsi donc la surface de chaque

courbe a été obtenue sur la base de la valeur affichée par la fonction intégrale

du spectrophotomètre.

� Représentation graphique As = f(DCO)

En effet à l’aide du tableur Excel nous avons fait une correspondance graphique entre les va-

leurs de DCO obtenues par la méthode normalisée de chaque échantillon avec la surface de sa

réponse spectrale (aire sous spectre). Ensuite nous avons tracé la courbe d’étalonnage corres-

pondante et déterminer par régression linéaire l’équation de la droite. Cette courbe

d’étalonnage nous a permis ensuite d’avoir ultérieurement par calcul à l’aide de l’équation de

la courbe d’étalonnage les valeurs des DCO estimés de nos différents échantillons tout au



long de nos expérimentations. L’obtention d’un modèle de régression linéaire précis et fiable

nécessite l’acquisition d’un grand nombre de données. Ainsi, plus de 80 échantillons ont été

utilisés pour obtenir le modèle puis le valider.

Photo 7: Spectrophotomètre DR 5000 (crédit photo A. Emenique)

III.8 Suivi des paramètres usuel

La détermination des paramètres débute par ceux in-situ (pH, oxygène dissout, température,

potentiel redox).

L’Oxygène dissout

La méthode que nous avons utilisée est la méthode par électrochimie. La mesure est basée sur

une réduction de l’oxygène qui traverse la membrane de la sonde, grâce à un oxymètre mo-

dèle YSI DO 200 de la série JC 06369.

Le pH

Le « pH » signifie potentiel hydrogène, il est relié à la concentration en ion hydronium (H3O+)

contenus dans une solution. Pour mesurer le pH, la méthode électrochimique avec électrode

de verre a été utilisée avec pH-mètre portable de marque Wissenschaftlish Technische

Werkstatten « WTW ».

La température

La température de l'eau est un paramètre important. Elle permet de corriger les paramètres

d'analyse dont les valeurs sont liées à la température (conductivité notamment). Les appareils

de mesure de la conductivité ou du pH possèdent généralement un thermomètre intégré.

Le potentiel redox



Le potentiel rédox est le potentiel d’oxydo-réduction. Il permet de prévoir la réactivité des

espèces chimiques entre elles. Il est lié au pH de l’eau. Pour sa mesure, la méthode électro-

chimique avec électrode de verre a été utilisée avec pH-mètre portable de marque Wissen-

schaftlish Technische Werkstatten « WTW » qui possède un voltmètre intégré.

IV. RESULTATS ET DISCUSSIONS

IV.1 Caractérisation et identification de la roche

Du point de vu macroscopique la roche est de couleur brune ; et a une texture poreuse. Elle a

une structure massive alvéolée. Les résultats de l’analyse de la lame mince (photo8) de la

roche montrent que l’échantillon est une scorie. Les minéraux majeurs sont les amphiboles et

les olivines.

Photo 8: Lame mince de la roche

IV.2 Equation de droite de la méthode alternative

Au préalable on a travaillé sur la validation de la méthode alternative. L’objectif de cette mé-

thode est d’amoindrir le coût et la durée de nos analyses compte tenu du nombre important

d’analyse de la DCO nécessaire à notre étude. Dans le tableau 2 les deux premières colonnes

nous donnent les surfaces et les concentrations en DCO à partir de la méthode normalisée. Ces

valeurs ont permis d’obtenir la courbe d’étalonnage représentée par la figure 10 et l’équation de

droite utilisée lors de nos expérimentations pour avoir par estimation la concentration en DCO

des échantillons. La courbe représente la relation entre les concentrations de la DCO après

traitement des données et les surfaces respectives des spectres UV entre 300 et 400 nm. Les



deux dernières colonnes donnent les surfaces et les concentrations en DCO estimées par calcul à

partir de l’équation. Les concentrations en DCO mesurées et celles estimées donnent une bonne

corrélation avec un R2 égale à 0,9083 (voir courbe de validation). Ce qui nous permet de con-

clure que la méthode d’estimation de la DCO est validée. L’équation que nous avons obtenue et

utilisée est une équation de premier degré. Elle est représentée comme suit :

� = 9,3273� � 7,4228

Avec : � la concentration en mg/l de DCO ; et � la surface du spectre

Figure 10 : Courbes d’étalonnage et de validation

Tableau 2 : DCO (mg/L) – surfaces spectres

SURFACE(1) DCO (mg/L) mesurée DCO (mg/L) estimée SURFACES(2)

30,025 266 287,371905 30,015

29,8685 295 282,9742245 29,5435

25,9335 218 238,423809 24,767

23,34 237 230,701053 23,939

21,787 194 216,859785 22,455

19,9125 206 207,896538 21,494

19,2125 161 168,751119 17,297

17,9515 196 221,1082335 22,9105

17,27 226 217,428732 22,516

16,4255 138 137,1279255 13,9065

14,9855 178 126,1127385 12,7255

12,7255 81,4 110,3874165 11,0395

12,34 85,9 100,2676215 9,9545

12,03 175 107,96706 10,78

11,6955 160 106,3488255 10,6065

10,081 148 98,668041 9,783

9,525 71,2 97,0404795 9,6085

9,0205 79 96,289656 9,528

y = 9,3273x + 7,4228R² = 0,9053

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40

DC

O m

g/l m

esur

ée

(mét

hode

nor

mal

isée

)

Surface spectre

COURBE D’ETALONNAGE

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

DC

O(m

g/L)

est

imé

DCO(mg/L) mesuré

y = x



7,6 103 90,572205 8,915

7,165 42 81,123954 7,902

6,1105 73 88,2171375 8,6625

5,7505 65,2 86,0346195 8,4285

5,277 53,5 55,595955 5,165

4,8025 42,9 71,050794 6,822

4,675 43,3 64,755069 6,147

3,91 71 62,07822 5,86

3,7815 14,3 47,1969915 4,2645

3,596 37,6 52,676604 4,852

3,5075 29,5 51,324189 4,707

3,252 3,63 50,074371 4,573

2,596 15,7 46,455495 4,185

2,312 26,7 45,94251 4,13

2,312 28,5 42,58479 3,77

2,2405 10,1 39,096492 3,396

2,201 51,5 36,5735385 3,1255

1,9735 41 36,4243065 3,1095

1,802 28,6 29,125929 2,327

1,585 18 19,3372425 1,2775

1,548 6,72 17,504487 1,081

1,21 42 22,2099585 1,5855

1,16 24 31,345755 2,565

0,795 11,5 11,693766 0,458

IV.3 Suivi des paramètres usuels

Les résultats du suivi des paramètres usuels sont résumés dans le tableau 3. La gamme de pH

des effluents de R1 montre que ce sont effectivement des conditions anaérobies qui prévalent

dans ce réacteur. Au cours des traitements des différents réacteurs on constate que des condi-

tions aérobies s’installent avec une augmentation de l’oxygène dissout et du potentiel rédox.

Ce sont des réactions d’oxydation qui sont prédominant dans les réacteurs ; donc des condi-

tions favorables au développement des bactéries aérobies dont nous avons besoin dans ces

réacteurs.

ERR : Effluent du réacteur à roches.

Tableau 3: Résultat du suivi des paramètres usuels des effluents des réacteurs

pH Température (°C)

Oxygène dissout mg/l

Potentiel ré-dox mV

R1 7 ~ 8 25,9 ~ 39,8 0,08 ~3,04 -74 ~ -32,6 Témoin 6,14 ~

7,18 25,3 ~ 28,2 3,46 ~ 3,91 -13 ~ 35,2



ERR 5mm acclimatés 5,73 ~ 6,36

24,2 ~ 27,8 3,13 ~ 4,23 34,2 ~ 71,4

ERR 5mm non acclimatés 6,34 ~ 6,66

24, 4 ~ 28 3,21 ~ 3,97 17,1 ~ 35,7

ERR 6,3 mm non acclima-tés

6,38 ~ 6,63

24,2 ~ 27,1 3,22 ~ 4,09 18,5 ~ 32,9

ERR 16mm non acclimatés 6,20 ~ 6,75

24,1 ~ 27,3 2,65~ 4,09 4,04 ~ 43,5

Système continu 7,33 ~ 8,19

23,6 ~ 38,19 1,83 ~ 3,28 -78,7 ~ 0,009

EER 20 g/l 7,21 ~ 8,43

23,7 ~ 27,3 0,17 ~ 5,36 -84 ~ -15,2

EER 50 g/l 7,28 ~ 7,42

23,1 ~ 27,4 0,14 ~ 5,57 -86,6 ~ -24

IV.4 Résultats expérience d’adsorption 1

La figure 11 montre la variation de la concentration en DCO en fonction du temps et de la

concentration des roches de 5mm de diamètre dans le milieu de 0 g/l (témoin) ; 20g/l et 50 g/l

de roches de 5mm au bout de 4 heures en contact de la matière organique. La concentration

de départ est de 208 mg/l. Lorsque la concentration de la roche est égale à 50g/l on constate

qu’au bout d’une heure on a une diminution de 208 mg/l à 184 mg/l. A la deuxième heure on

observe une augmentation progressive de la DCO jusqu’à la quatrième heure. Ce même com-

portement est observé du début jusqu'à la fin des 4 heures dans les deux réacteurs. Nous pou-

vons dire que l’adsorption n’a pas été significative avec les roches de 5mm de granulométrie.

Figure 11: Expérience d’adsorption 1

Il n’y a pas de résultats expliquant cette augmentation brusque au bout de la deuxième heure

dans la littérature. Donc au vu de l’augmentation de la DCO après 2H des tests à blanc ont été

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4

DC

O m

g/l

Temps en heures

Adsorption sur roches de 5 mm à différentes concentrations

20g/L 50g/L



réalisés avec les roches suivant les différentes concentrations et de l’eau distillée sur 4 heures.

Il en ressort qu’il n’y a pas variation de la concentration de la DCO dans le milieu. Donc ce

phénomène observé est exclusivement dû aux réactions entre les roches et l’eau usée.

IV.5 Résultat Expérience d’adsorption 2

A partir des résultats issu du premier test d’adsorption nous avons vu que les roches de 5mm

n’ont pas donné un résultat significatif pour l’adsorption. La deuxième expérience a été con-

duite avec des roches de granulométries différentes.

La Figure 12 montre le résultat de l’expérience d’adsorption sur plusieurs types de granulo-

métrie de roches. Seules les roches ayant une granulométrie de 16 mm ont présenté une ad-

sorption faible continue au bout des trois premières heures. Les granulométries élevées favo-

risent donc le phénomène d’adsorption.

Figure 12 : Adsorption sur roches de différentes granulométries

La figure 13 montre les résultats de l’expérience d’adsorption qui a été conduite avec les

roches de 5mm de diamètre acclimatées pendant 33 jours. Nous avons observé à la première

heure une hausse de la DCO passant de 211 mg/l à 246 mg/l. A la deuxième heure elle des-

cend à 175 mg/l et baisse progressivement de la troisième jusqu’à la cinquième heure. (Se

référer au paragraphe sur «résultat expérience de biodégradation : phase d’acclimatation »

pour plus d’explication sur le phénomène). Cette adsorption continue serait due à l’activité

des bactéries déjà acclimatées qui ont vu leur nombre s’accroitre davantage à la première

heure. En effet Les roches de ce réacteur étaient en acclimatation sans agitation du milieu ;

donc le passage à un mode de mixage à augmenter la quantité d’oxygène dans le milieu ce qui

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

DC

O m

g/L

Temps en heures

Adsorption sur roches de différentes granulométries

Roches 5mm non acclimatés Roches 6,3mm non acclimatés Roches 16mm non acclimatés



accroit le processus d’acclimatation durant la première heure. Les heures qui ont suivi ces

bactéries se sont chargées de dégrader la matière organique disponible dans le milieu ce qui

expliquerait cette adsorption continue. Contrairement aux autres réacteurs qui débutaient leur

processus d’acclimatation.

Figure 13: Adsorption sur roches de 5 mm acclimatées sur 33 jours

IV.5 Résultats des expériences de biodégradation : Phase d’acclimatation

Sur les figures suivantes avec l’allure des différentes courbes ci-dessous issues du suivi des

différents réacteurs il en ressort qu’il n’y a pas de biodégradation considérable. Ceci est dû au

fait que nous sommes toujours dans la phase d’acclimatation des bactéries du biofilm. A cette

phase les bactéries produisent une grande quantité de polymères extracellulaires ou EPS "ex-

trapolymeric substances" sécrétés par ces mêmes micro-organismes. Les EPS renferment en

majorité des polysaccharides macromoléculaires et en moindre mesure des protéines, des li-

pides et acides nucléiques (Flemming HC, 2004). Ces composés sont susceptible de se retrou-

vés en solution sous forme dissoute. En effet à cette phase la fréquence de la division cellu-

laire est égale à celle de disparition des cellules. A forte concentration de bactéries un signal

chimique et peptidique est reçu par le biofilm qui se rompt et libère les bactéries. Ces der-

nières à leur tour s’en vont colonisées d’autres substrats disponibles dans le milieu (Bacteria

removal in septic effluent: Influence of biofilm and, 2006). Cette rupture de la matrice conte-

nant au préalable les bactéries entraine donc la libération et l’augmentation des matières vola-

tiles solubles et organiques lesquelles augmentent la concentration en DCO des milieux les

contenants.

Il est à noter que la croissance du biofilm dans notre étude s’est basée uniquement sur l’apport

nutritif en matières organiques des effluents prétraités issus de R1. En référer à d’autres

études de traitement d’eaux usées par un biofilm les bactéries ont été alimentées avec des ma-

tières organiques extérieures. Pendant 6 semaines leur réacteur à fonctionné en mode batch

avec une concentration en DCO de 1000 mg/L et un rapport DCO/ Azote/ Phosphate de

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

DC

O m

g/l

Temps en heure

Adsorption sur roches de 5mm acclimatés sur 33 jours

Acclimatés 5mm



100/5/1 (Sh. Ebrahimia a. M., 2012). Alors que la concentration en DCO des effluents de R1

en moyenne est de 155mg/l durant la période de nos expériences. Aussi la condition

d’obscurité totale qui prévaut dans un tel système n’a pas pu être obtenu à cause des condi-

tions du laboratoire qui est constamment éclairé.

Résultat expérience de biodégradation 1 : phase d’acclimatation

Telle que le montre la figure 14 il n’y a pas une dégradation significative de la matière orga-

nique. Le suivi de l’évolution de la DCO dans cette expérience nous montre que le témoin et

l’essai contenant les roches ont à peu près le même comportement jusqu’au sixième jour. A

partir de ce dernier la DCO de chacun des essais avec roche est inférieure à celle du témoin.

Nous pouvons dire que la présence des roches a un effet sur l’élimination de la DCO même si

elle n’est pas encore importante à cause des mécanismes de la phase d’acclimatation.

Figure 14: Expérience de biodégradation 1

Les figures 15 et 16, montrent l’évolution de la DCO sur 55 jours des effluents des réacteurs

contenant respectivement 20 et 50 g/l. Le constat général est que la concentration de la DCO

après traitement a tendance à baissé progressivement dans les réacteurs. Cette diminution

commence au 49ième jour dans le réacteur à 50g/l et au 51ième jour pour celui de 20 g/l.

Figure 15: Evolution de la DCO : Acclimatation 20 g/l de roches de 5mm sur 55 jours

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16

DC

O m

g/l

Temps en jours

Evolution DCO sur 16 jours d'acclimatation

Témoin

20 g/l

50 g/l

0

50

100

150

200

250

45 47 49 51 53 55

DC

O m

g/l

Temps en jours

Réacteur à 20 g/l de roches de 5mm

Alimentation DCO mixture après alimentation DCO effluents traités



Figure 16: Evolution de la DCO : Acclimatation 20 g/l de roches de 5mm sur 55 jours

IV.6 Résultat expérience de biodégradation 2

Sur l’ensemble des graphes ci- dessous nous avons l’évolution de la courbe :

- des concentrations de la DCO des effluents issus directement du réacteur R1 ;

- de la mixture (DCO effluent du réacteur R1 plus la DCO résiduelle dans le réacteur avant

nouvelle alimentation)

- des DCO des effluents sortant des réacteurs.

Le suivi continu de la DCO est représenté par les différentes figures ci-dessous. Le constat

général est que la concentration de DCO des échantillons sortant du système est élevée par

rapport à celle de la mixture. Seuls les réacteurs contenant les roches de 5mm acclimatés sur

33 jours et celles de 16 mm présentent ponctuellement des éliminations malgré la phase

d’adaptation dans laquelle se trouvent les bactéries des réacteurs. Nous pouvons en déduire

que la taille des granulées et l’acclimatation sont des facteurs qui influencent positivement la

dégradation de la matière organique. L’évolution de la concentration de la DCO à la phase

d’acclimatation n’a été explicitée dans la littérature. Le comportement de la concentration de

la DCO à la phase d’acclimatation au cours de nos expériences est représenté par les courbes

ci-dessous.

0

50

100

150

200

250

45 47 49 51 53 55

DC

O m

g/l

Temps en jours

Réacteur à 50 g/l de roches de 5mm

Alimentation DCO mixture après alimentation DCO effluents traités

0

100

200

300

33 38 43 48 53 58 63

DC

0 m

g/l

Temps en jours

Roches de 5 mm acclimatées sur 33 jours

Mixture (DCO alimentation+ DCO résiduel) DCO effluents traités



IV.7 Expérience de biodégradation 3 : Simulation d’un système continue d’acclimatation et

de biodégradation

Le graphe ci-après montre une élimination de près de 40% au bout de 5heures sans agitation.

Nous pouvons en déduire que il se pourrait que le mixage effectué lors des expériences

d’adsorption ci- dessus influence peut être l’adsorption des matières organiques sur les

roches. Aussi la quantité de roche ici est plus importante donc la concentration de roche aussi

a agit sur l’adsorption.

0

100

200

300

400

0 5 10 15 20 25 30

DC

O m

g/l

Temps en jours

Roches de 5 mm non acclimatés

DCO effluents traités Mixture (DCO alimentation+ DCO résiduel)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30

DC

O m

g/l

Temps en jours

Roches de 6,3mm non acclimatés

DCO effluents traités Mixture (DCO alimentation+ DCO résiduel)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30

DC

O m

g/l

Temps en jours

Roches de 16mm non acclimatées




Figure 17: Evolution DCO sur 5H dans le système continu

Le suivi continu de la DCO montre une allure semblable à celle des expériences de biodégra-

dation précédente. Sauf que nous constatons une diminution progressive plus poussée de la

concentration de la DCO dans le système continue car ce sont les mêmes échantillons bruts

qui servent d’alimentation.

Figure 18: Evolution de la DCO dans le système continu sur 35 jours

IV.8 Suivi de la croissance du biofilm

Les résultats de l’évolution de la concentration bactérienne en fonction du temps et des con-

centrations de 20g/l et 50g/l de roches en suspension sont résumés dans le tableau. Les suivi

de la croissance correspondent au 6ième ; 20ième et 24ième jours d’acclimatation. Seules les bac-

téries du témoin ont pu être dénombrées sur ces trois temps de mesure. Au 24ième jour le dé-

nombrement dans les tubes contenant respectivement 20g/l et 50g/l de roche avec notre mé-

thode était devenu impossible. Des dilutions successives jusqu’à 10-43 n’ont pas pu donner des

colonies dénombrables sur les boites de pétries ensemencées. Les courbes des trois échantil-

lons présentent la même allure du 6ième au 20ième jour telle que le montre la figure 19. De ce

fait nous pouvons dire que la croissance bactérienne du biofilm se fait de façon exponentielle.

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6

DC

O m

g/L

Temps en heures

Adsorption système continue 5h de rétention

Evolution DCO

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35

DC

O m

g/l

Temps en jours

Système continue




Ce qui prouve que les deux systèmes contenant les roches remplissent les deux conditions

essentielles pour la formation de biofilm contrairement au témoin qui ne contient que l’eau.

En effet selon Dunne W.M les conditions de développement d’un biofilm sont les microbes

eux même et un substrat. Si l’un des deux éléments est omit le biofilm ne se développera pas

(WM., 2002). Compte tenu de l’absence de roches dans le témoin la croissance bactérienne

observée serait dû aux bactéries planctoniques c'est-à-dire libres dans le milieu. Les bactéries

se multiplient mais ne sont pas autant concentrées dans le témoin. La mesure directe de

l’adhésion d’un biofilm sur un substrat demeure difficile car l’accès au biofilm est très res-

treint pour celui qui manipule. D’où le développement de nouvelles technologies plus sophis-

tiqué pour ce genre d’étude telle que la micromanipulation (Chen MJ, 1998) ; la microscopie

à force atomique (Fang HHP, 2000) (Boyd RD, 2002) ; et les pinces optiques (Mehta AD,

1999). Ce qui explique le fait que nous ne pouvions plus dénombrer les bactéries au fil des

jours car nous ne disposons pas encore de ces nouvelles technologies.

Tableau 4: Evolution de la croissance bactérienne du biofilm

TEMOIN 20g/L 50g/L

Temps de suivi (jours)

NOMBRE (UFC/100 ml) NOMBRE (UFC/100 ml) NOMBRE (UFC/100 ml)

6 3,19E+05 254000 133000

20 1,21E+12 2,44367E+12 3,38E+11

24 3,00E+18 Non dénombrable Non dénombrable

Figure 19: Courbes de la croissance du biofilm

1,00E+00

1,00E+03

1,00E+06

1,00E+09

1,00E+12

1,00E+15

1,00E+18

0 5 10 15 20 25 30NO

MB

RE

UFC

/10

0 m

l

Temps en jours

Croissance bactérienne

TEMOIN 20g/L 50g/L Non dénombrable



VI. CONCLUSIONS

La présente étude explore la performance des roches volcaniques de Madagascar considérés

comme un éco-matériau filtrant dans les fosses septiques pour en améliorer les rendements

épuratoires. Pour les besoins de cette étude, une méthode alternative d’analyse de la DCO a

été développée et présente l’intérêt d’être fiable, simple, économique et rapide. A travers des

tests en réacteur batch puis en continu simulant le traitement d’une eau usée dans une fosse

contenant des roches volcaniques, l’évolution de la MO pendant la phase d’acclimatation a été

étudiée.

Les résultats montrent que la roche n’a pas une capacité d’adsorption de la MO très élevée

pour les concentrations utilisées. Sur des périodes de traitement plus longues de 20 jours, on

constate une multiplication exponentielle des bactéries sans toutefois observer une élimination

significative de la matière organique. Ce phénomène serait dû à la phase d’acclimatation du-

rant laquelle les bactéries produisent une quantité importante de polymères extracellulaires

qui interfèrent avec les MO de l’effluent, ce qui influence les concentrations de DCO en les

augmentant. La mise en place effective d’un biofilm suit donc une cinétique très lente dans les

conditions de culture utilisées dans cette étude. Ces travaux démontrent que les fosses sep-

tiques utilisant les roches volcaniques ne peuvent être efficaces qu’au terme d’une certaine

durée d’utilisation qui reste encore à déterminer mais qui pourrait s’étendre sur plusieurs

mois.



V.RECOMMANDATIONS ET PERSPECTIVES

1- Il faudrait en premier lieu continuer l’alimentation continue des réacteurs tout en suivant

l’évolution de la DCO. Ceci permettra de savoir au bout de combien de temps le biofilm de-

vient vraiment actif avec uniquement l’apport nutritif de R1.

2- Ces travaux ont montré que la mise en place effective d’un biofilm suit une cinétique très

lente dans les conditions de culture utilisée dans cette étude. En effet, l’étude s’est basée uni-

quement sur l’apport en matières organiques qu’apporte les effluents prétraités du R1. Dans le

but d’accélérer la croissance bactérienne, il serait intéressant de mener des manipulations en

parallèle avec ajout des bouillons nutritifs dans le milieu et d’étudier la croissance de ce bio-

film et ses performances.

3. Il faudrait également ramener les biofilms issus des deux précédentes expériences recom-

mandées en condition de traitement pilote en situation réelle pour faire une comparaison de

performance et de résistance des deux types de biofilms obtenus.

4. La granulométrie des roches à acclimater devrait atteindre au minimum 16 mm de diamètre

afin de permettre aux microorganismes de s’incruster dans les alvéoles augmentant ainsi la

surface de la roche à coloniser.

5. Dans le but d’améliorer le suivi de la croissance du biofilm, il serait intéressant de recourir

à d’autres technologies plus appropriées telles que la microscopie laser à balayage confoncal

(CLSM) (Stoodley P, 1997;) ; la micromanipulation (Chen MJ, 1998) ; la microscopie à force

atomique (Fang HHP, 2000) (Boyd RD, 2002) ; et les pinces optiques (Mehta AD, 1999).

6. A long terme, ce travail pourrait aboutir à la conception de fosses septiques compactes con-

tenant des matériaux activés avec des souches bactériennes nourries artificiellement ou déve-

lopper naturellement.



VII. BIBLIOGRAPHIE

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VIII. ANNEXES

Tableau 5: valeurs des concentrations de la DCO des effluents de R1 en fonction du temps

JOUR DCO effluents R1

0 211,522779

2 155,801488

5 137,333434

6 178,550773

7 147,57481

8 165,324662

9 240,819828

12 136,223486

13 130,822979

14 125,39449

16 141,204264

18 126,858877

20 236,025596

22 114,808005

24 120,637567

26 117,736777

28 119,480982

Tableau 6: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur témoin en fonction du temps

Evolution DCO témoin

JOUR DCO effluents traités Mixture (DCO alimenta-

tion+ DCO résiduel) 0 211,5227786 211,5227786

2 179,7819767 173,7868546

5 167,3207039 159,8238865

6 196,2166793 191,8002028

7 223,4990318 204,5179763

8 233,609825 216,5385342

9 259,1293178 254,5519453

12 309,3754829 266,0874836

13 266,2833569 232,4182624

14 258,9614264 225,5696924

16 265,5465002 203,3753821

18 238,5159848 182,6874307

20 255,6688895 245,8472426

22 190,2005708 152,5042879

24 175,0996721 147,8686198

26 168,8970176 143,3168974


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 ii

28 165,240716 142,3608491

Tableau 7: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 5mm acclimatés en fonction du temps

Evolution DCO acclimatés 5mm

JOUR DCO effluents traités

Mixture (DCO alimentation+ DCO résiduel)

0 211,522779 211,522779

2 202,092878 190,520031

5 241,817849 215,696745

6 240,577318 225,070682

7 243,692636 219,66318

8 244,056401 224,373466

9 238,63724 239,182887

12 281,831966 245,429846

13 245,61406 216,91629

14 240,931756 212,047439

16 221,01797 181,111117

18 163,226019 145,042448

20 143,293579 189,659587

22 141,530719 128,169362

24 147,705392 134,17148

26 145,233658 131,485217

28 130,767015 125,123999 Tableau 8: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 5mm non acclimatés en fonction du

temps

Evolution DCO non acclimatés 5mm


Mixture (DCO alimentation+ DCO résiduel)

0 211,5227786 211,5227786

2 169,4006918 166,000891

5 201,1414937 185,1894789

6 212,8659098 204,2871256

7 245,4461687 220,978329

8 248,0018489 227,3325521

9 257,7022409 253,4816377

12 313,8432596 269,4383161

13 271,4133719 236,2657737

14 260,4071579 226,653991

16 281,3562737 211,2802688

18 294,1346747 210,4967756

20 265,2480266 250,6368112


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 iii

22 267,7104338 191,2592194

24 179,791304 150,2144357

26 253,5795743 185,6581757

28 149,0858324 134,2834073 Tableau 9: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 6,3 mm non acclimatés en fonction

du temps

6,3 mm Evolution DCO

JOUR DCO effluents traités Mixture (DCO alimentation+ DCO résiduel)

0 211,522779 211,522779

2 164,662423 162,44719

5 216,867322 196,98385

6 222,277156 211,34556

7 246,500154 221,768818

8 252,292407 230,550471

9 244,746621 243,764923

12 289,303133 251,033221

13 273,110941 237,53895

14 244,084383 214,41191

16 274,062325 207,633295

18 259,2599 193,059388

20 265,770355 250,897976

22 241,398121 178,103063

24 159,21528 139,926424

26 170,034948 143,885863

28 156,827491 138,154237 Tableau 10: Concentrations de la DCO des effluents du réacteur de roches de 16mm non acclimatés en fonction

du temps

16 mm Evolution DCO


Mixture (DCO alimentation+ DCO rési-duel)

0 211,5227786 211,5227786

2 158,5623692 157,872149

5 171,1822061 162,7200132

6 198,4738859 193,4931077

7 220,4116955 202,2024741

8 241,4540843 222,4217287

9 258,1872605 253,8454024

12 291,3271574 252,5512395

13 263,737004 230,5084978

14 238,9170587 210,5364166


ALLADATIN Mireize Emenique Master Eau et Assainissement 2013-2014 iv

16 249,4569077 195,3305858

18 260,3045576 193,5817171

20 143,2935791 189,6595874

22 152,3783693 133,5931871

24 158,4784235 139,5579955

26 148,8433226 133,2900499

28 149,0858324 134,2834073 Tableau 11: Concentrations de la DCO des effluents du système continu en fonction du temps

Système continue Jours DCO effluents

R1 DCO ef-

fluents traités Mixture (DCO alimenta-

tion+ DCO résiduel) 0 221,5496261 221,5496261 221,549626 1 163,6457477 83,08212668 147,533023 2 224,3105069 120,3577484 203,519955 4 224,3105069 205,2641603 220,501238 8 159,4484627 246,8266091 176,924092 11 155,8014884 209,5547183 166,552134 15 147,1270994 178,5507731 153,411834 16 147,5748098 137,1002519 145,479898 17 165,3246617 157,0700012 163,67373 18 240,8198279 170,5106405 226,75799 21 136,2234857 171,6672257 143,312234 22 130,822979 156,9580736 136,049998 23 125,3944904 124,2845417 125,172501 24 141,2042639 172,5533192 156,878792 26 126,8588765 158,0307131 142,444795 28 132,4645838 157,1539469 144,809265 30 120,857357 185,8353944 153,346376 32 120,6375674 158,4784235 139,557995 34 117,7367771 163,4405471 140,588662

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