Modélisation des processus physiques et biologiques dans des fosses septiques et voies de valorisation des boues de vidange:Application à Bujumbura-Burundi | Modeling of physical and biological processes in septic tanks and pathways of valorization for sludge: Application to Bujumbura- Burundi

French. Dans les pays en développement (PED) en général et au Burundi en particulier, la problématique de gestion des eaux usées et des déchets solides constitue un enjeu majeur pour les spécialistes et les autorités locales. En effet, suite à un manque des stations d'épuration collectives au Burundi, les fosses septiques sont les plus utilisées pour gérer les eaux usées produites. Cependant, les processus qui s'y déroulent ne sont pas encore maîtrisés et la gestion des boues de vidange lorsque ces installations sont remplies, constitue une problématique qui mérite d'être abordée afin de trouver des solutions adaptées, à court et à long terme. Et, suite à une absence des technologies appropriées en matière de gestion des déchets solides, ils sont jetés de manière inadmissible (dans les caniveaux, rivières, places publiques, etc.), et cela peut engendrer à court ou à long terme des nuisances graves, tant pour la santé et l'hygiène publique que pour l'environnement. C’est dans l’optique de contribuer: (i) à l'amélioration de la qualité environnementale; (ii) et à la réduction des risques sanitaires associés à la gestion des déchets liquides et solides à Bujumbura (Burundi), que s’inscrit ce travail de recherche qui porte sur la "Modélisation des processus physiques et biologiques dans des fosses septiques et voies de valorisation des boues de vidange: Application à Bujumbura-Burundi". Différents axes ont ainsi été abordés pour répondre a cet objectif général : (1) la quantification des processus physico-chimiques dans des fosses septiques; (2) la modélisation stœchiométrique, cinétique et mathématique des processus biochimiques; et (3) l'étude des voies de valorisation énergétique des boues de vidange, soit seules (en digestion anaérobie) ou combinées avec des déchets solides fermentescibles (en co-digestion anaérobie). L'étude de quantification des processus physico-chimiques, matérialisables par le phénomène de décantation des particules solides a permis de dégager deux résultats principaux: (i) les effluents d'entrée dans les fosses septiques présentent une bonne décantabilité; (ii) les effluents de sortie de ces ouvrages (107 mg MES/L) ne respectent pas les normes de rejets (30 mg MES/L: cas de la norme Belge). Des dispositifs appropriés pour le traitement des effluents de sortie des fosses septiques (lit filtrant drainé/ou non à flux vertical sur un massif de sable, lit filtrant drainé/ou non à flux vertical sur un massif de zéolithe, lit filtrant horizontal drainé, tertre d’infiltration, tranchée d'épandage ou lit bactérien percolateur) ont été proposés pour palier les insuffisances des puits perdants couramment utilisés au Burundi. L'étude de caractérisation des flux entrant dans des fosses septiques était indispensable pour les modélisations ultérieures (stœchiométrique, cinétique et mathématique) des processus biochimiques et a permis de quantifier, de manière revisitée, la notion d' un équivalent habitant. Ainsi, un équivalent habitant (EH) a été déterminé pour la Belgique et le Burundi en termes de la demande chimique en oxygène (DCO), soit 138,75 ± 20,09 gDCO/EH/j et 117,08 ± 10,09 gDCO/EH/j respectivement. De plus, cette étude a permis de caractériser, par rapport à un équivalent habitant, différents composés chimiques importants contenus dans les flux entrant dans les fosses septiques. Les résultats variaient entre 0,37 ± 0,18 g/EH/j (pour les acides aminés urinaires ) et 43,44 ± 4,35 g/EH/j ( pour glucides), avec des valeurs de 5,00 ± 0,3; 10,15 ± 1,96; 10,6 ± 3,27; 14,7 ± 0,4 et 14,99 ± 1,57 g/EH/j respectivement pour les savons de bain/douche, lipides, azote total, détergent pour lave-linge et protéines. Ces résultats ont contribué à l'élaboration d'une formule "de biomole de substrat complexe" (C23 H49O9N) représentant les eaux usées, utile pour simplifier la modélisation mathématique de fonctionnement des fosses septiques en réduisant le nombre de processus, de variables d’état, d’équations cinétiques associées et des paramètres qui en découlent. La modélisation stœchiométrique des processus biochimiques qui se déroulent dans les fosses septiques, après avoir vérifié que le métabolisme est bien anaérobie, même si des eaux usées éventuellement saturées en O2 entrent quotidiennement dans ce type de dispositifs, a permis de mettre en place un système d’équations qui décrit la stœchiométrie de fonctionnement des fosses septiques. Par ailleurs, dans les pays en développement comme le Burundi, les laboratoires sont moins équipés et ont un accès très limité aux équipements modernes d'analyse usuels (ex., GC ou HPLC ), pour le dosage des acides gras volatils (AGV). A cet effet, nous avons développé et vérifié une nouvelle méthode de dosage des AGV par titrage, efficace et proche de la méthode chromatographique en phase gazeuse. A 99% d'intervalle de confiance, les résultats obtenus à l'aide de cette nouvelle méthode, sont comparables à ceux de la chromatographie en phase gazeuse. La modélisation cinétique a permis de mettre en exergue un modèle de dégradation de la biomole du substrat complexe, qui s'est révélé comparable au modèle cinétique de Monod. Les constantes cinétiques découlant du traitement des données sont dans le cas présent: (i) le taux maximum de croissance spécifique (µmax) égal à 0,0065 j-1; (ii) la constante de demi-saturation de ce substrat combiné synthétique égale à 9,18 g DCO/l ou 4,26 g/l; et (iii) le taux de mortalité égal à 0,0001 j-1. Ces données sont très utiles pour les simulations de fonctionnement des fosses septiques à l'aide d'un logiciel de gestion des ouvrages de traitement des eaux usées (WEST®). Ce travail a également permis de développer un modèle global de fonctionnement des fosses septiques (MFS/DDA ), qui par ailleurs a été présenté suivant le formalisme matriciel de Petersen. Une étude préliminaire de caractérisation détaillée des boues de vidange a montré qu'elles sont presque stabilisées, du point de vue valorisation énergétique. Lorsqu'elles sont digérées seules, elles présentent un faible potentiel méthanogène, soit 2,09 m3 biogaz/m3 de boues fraîches (après deux mois de digestion). Ce biogaz est composé de 71% de CH4 contre 29% de CO2. Ce travail a montré un intérêt de co-digestion anaérobie des boues de vidange avec les déchets solides fermentescibles. A cet effet, un rapport MVSFS/MOVdéchets égal à 0,3 (MOVdéchets étant exprimées en poids sec de déchets et MVSFS en poids sec des boues de vidange) s’est révélé optimal , pour leur meilleure valorisation énergétique, avec une production cumulée maximale de biogaz égal à 12,14 m3biogaz/m3 de mélange gadoues-déchets. La composition moyenne de ce biogaz était de 65,6% en CH4 contre 34,4% en CO2. Mots Clés: Burundi; Assainissement; Fosses septiques; Eaux noires; Eaux grises; Equivalent habitant; Décantation; Digestion anaérobie; Substrat combiné; Acides gras volatils; Modèle stœchiométrique; Modèle cinétique; Matrice de Petersen; Simulations avec WEST®; Boues de vidange; Potentiel méthanogène; Co-digestion anaérobie; Déchets solides fermentescibles.