3) Dimensionnement de la lagune

3) Dimensionnement du bassin de lagunage

 

Malgré le fait que l'on ait confirmé l'impossibilité d'implanter un réseau de collecte des eaux usées gravitaire pour le village de Civé, avec les consommations d'eau actuelles, nous avons souhaité poursuivre jusqu'au bout notre étude d'assainissement des eaux usées. Ainsi, dans cette partie, nous allons tenter de dimensionner un bassin de lagunage, épaurateur des eaux usées, en supposant que les habitants de Civé parviennent à rejetter leurs eaux usées jusque dans celui-ci, à hauteur de 40L/j/hab.

Le lagunage est une technique d'épuration des eaux connue depuis l'antiquité. Elle utilise un procédé d'auto-épuration qui existe dans les milieux naturels comme les mares ou les étangs. Ceux sont en fait des micro-organismes tels que les bactéries aérobies et anaérobies, le phytoplancton (algues) et parfois le zooplancton qui transforment la matière organique en éléments minéraux. De nos jours, la connaissance des procédés biologiques permet de de controler l'eutrophisation de la lagune en s'appuyant sur une bonne association biologique. Une fois bien conçue, la lagune est capable d'effectuer une excellente dépollution organique ainsi qu'une très bonne décontamination microbienne.

En plus de son efficacité, ce procédé est fiable et présente plusieurs avantages qui montrent que le lagunage est la solution d'épuration des eaux la plus adaptée à la situation en Mauritanie.

   -Le cout d'instllation est plus faible pour un lagunage que pour les autres systèmes d'épuration d'eau.

   -Le lagunage présente une grande facilité d'exploitation et d'adaptation

   -Ce procédé ne consomme pas d'énergie ne de produits chimiques

L'objectif de notre étude est de dimensionner la lagune en jouant sur le nombre de bassins, leurs surfaces, leurs profondeurs ou encore l'aération artificielle. Après une recherche bibliographique approfondie, nous avons choisi de mettre en place la solution la moins coûteuse de toutes c'est à dire un lagunage naturel avec un seul bassin sans aération artificielle. Nous sommes conscients que les résultats obtenus par cette technique sont moins bons que ceux obtenus avec un système à plusieurs bassins qui offre plus de garanties au niveau de la désinfection et de l'abattement en azote et phosphore. Le lagunage à bassin unique apparaît cependant comme une solution adaptée donnant des résultats satisfaisants.

Dimensionnement:

On considère que les habitants de Civé vont rejeter à terme 40L/j/hab d'eaux usées. La population s'élevant à 1000 habitants, on atteint un débit d'entrée dans la lagune de 40 m3/jour.

 

Déterminons premièrement le volume nécessaire de la lagune. On estime le temps de séjour de manière empirique à t=60 jours. Ce temps est légèrement surévalué et nous permet d'avoir une marge de sécurité. On obtient alors:

V=t*Q=2400 m3

 

Pour déterminer la surface de la lagune, la littérature nous fourni la méthode suivante:

   -On calcule la surface minimum pour que les processus aérobies et anaérobies cohabitent dans la lagune.

Smin = Q*Xo/Cs

Avec: Xo la concentation en substrat (en Kg de DBO/m3)

         Cs la charge organique superficielle limite d'une lagune (en Kg de  DBO/m²/j)

La littérature nous donne Xo=350 mg/L (valeur pour un léger surdimensionnement) et Cs=0,25. En définitive cette méthode nous dis que S doit être supérieur à 56 m². Cette valeur est un minimum mais ne représente pas un bon ordre de grandeur de la surface car elle nous donnerait une lagune d'une cinquantaine de mètres de profondeur.

Etant donné le volume théorique contenu dans la lagune, nous proposons une surface de 1700 m². Ceci correspond à une hauteur d'eau théorique de 141 cm. Cette hauteur d'eau parait cohérente avec le dispositif mis en place. Nous avons ensuite procédé à un bilan des flux dans la lagune dans le but de calculer le débit d'effluent journalier. Pour se faire, nous partons du principe que ce débit est constant, par exemple une vanne qu'on ouvre pendant un certain temps chaque jours. Nous allons donc chercher quel débit constant d'effluent permet de retrouver le même volume dans le laqunage au bout d'un an. Le bilan des flux nous permet aussi de calculer le volume et donc la hauteur d'eau dans le lagunage au fil des mois. Ceci nous sera utile pour prouver que notre lagune reste en eaux toute l'année. En effet, étant donné la longue période de sécheresse que connaît la Mauritanie chaque année, nous nous sommes demandé si le phénomène d'évaporation combiné à l'infiltration n'allait pas nuire au bon fonctionnement de notre lagune.
 
Bilan des flux:
   Entrant: Eaux usées + pluie = 48 + P(t)*surface (en m3/s)
   Sortant: Infiltration + Evaporation + Effluent = (Vinf + Vevap)*Surface + cte
 

La formule de l'évaporation que nous avons utilisé est celle de Harbeck (1962), trouvée dans le cours d'Hydrologie approfondie de M. Denis DARTUS et Mme Hélène ROUX :

$E = (1.69 10^{-11}) A^{-0.05} u_{z} (e_{s} - e_{z})$    (m/s)$

où E est l'évaporation exprimée en m/s, A la surface du bassin en km², $e_{s}$ la pression de vapeur saturante à la température de l'eau de surface en Pa et $e_{z}$ la pression de vapeur de l'air au niveau z, en Pa.

On a :

$e_{s} = 610.8exp(\frac{17.27 T}{237.3 + T})$ où T s'exprime en °C

$e_{z} = RH e_{z}^{0}$

avec RH l'humidité relative et $e_{z}^{0}$ la pression de vapeur saturante de l'air à l'altitude z.

On a : 

$ln e_{z}^{0} = 13.7 - \frac{5120}{T}$ où T s'exprime en K

 

Nous avons pu trouver des données mensuelles des températures minimales et maximales sur Kaédi, sur le site climatedata.eu mais nous n'avons pas réussi à trouver de valeur d'humidité relative pour cette zone. Nous avons néanmoins trouvé une étude sur le Sahel : "Environnement et maladies dans le Sahel (Afrique de l'Ouest). Un entre-deux-mondes" (G.Rémy et al.) (lien) dans lequel nous avons des données d'humidité relative mensuelle sur Gao, ville du Mali. Nous nous sommes servi de ces dernières pour estimer notre évaporation, bien qu'elles ne correspondent sans doute pas exactement aux valeurs d'humidité relative de Kaédi. Néanmoins, par manque de données, nous n'avons pas eu d'autre choix.

A partir de ces données, nous avons mis en place un programme Matlab qui nous permette de calculer, à chaque mois de l'année, l'évaporation maximale et minimale au-dessus de notre bassin ainsi que les autres flux. La formule de Harbeck nous donnant une valeur d'évaporation en m/s, nous avons multiplié la valeur de l'évaporation par un facteur qui correspond au temps d'ensoleillement journalier moyen par mois divisé par 24h pour obtenir un résultat en m/jour puis par 1000 pour l'avoir en mm/j. Nous avons trouvé les données d'ensoleillement à Nouakchott dans l'ouvrage suivant: "Le petit futé Mauritanie" (Dominique Auzias et Jean-Paul Labourdette)(lien). Par  manque de données, nous avons estimé que l'évaporation était la même tous les jours d'un même mois, et qu'elle ne variait donc que mensuellement. 

 
Ainsi, toutes les données sont connues ou calculées rigoureusement à part la vitesse d'infiltration qui dépend d'énormément de paramètres que nous ne maîtrisons pas. Nous allons étudier 3 cas. Le cas sans infiltration qui correspond a une lagune imperméable (Vinf = 0), un 2e cas ou Vinf = 1 mm/J (faible perméabilité) et le dernier cas ou Vinf = 10 mm/J (forte perméabilité). La dernière partie du code calcule le temps que mettra le lagunage pour atteindre son volume de fonctionnement de 2400 m3 en se placant dans le pire des cas c'est a dire en commençant le remplissage début mars.

Voici les résultats obtenus avec le code Matlab:

Figure 1. Courbes de l'intensité de l'évaporation maximale et minimale au-dessus du bassin au cours de l'année

Comme nous l'attendions, les courbes d'évaporation montrent deux pics, un avant et un après la saison des pluies. Le minimum d'évaporation se situe au mois d'août, le mois le plus humide et le plus pluvieux. L'évaporation maximum arrive quand a elle au mois d'avril, ce qui explique que le scénario le plus lent de remplissage de la lagune commence en mars.

Figure 2. Évolution de la hauteur d'eau dans la lagune au cours de l'année

On constate que la hauteur d'eau varie 119 cm et 147 cm sur 1 an. La hauteur d'eau ne dépends pas de l'imperméabilité car le code calcule pour chaque cas le débit constant d'effluent qui permet de retomber sur le graphe ci-dessus.

Résultats issus du code
  Cas 1 Cas 2 Cas 3

Vitesse d'infiltration moyenne (mm/J)

0 1 10

Débit d'effluent calculé (m3/J)

37,1 35,5 20,1

Temps de remplissage de la lagune (Jours)

71 75 135

Les cas 1 et 2 donnent des résultats quasi similaires qui montrent que si la lagune est construite sur un sol à faible perméabilité ou si elle est artificiellement imperméabilisée avec un géotextile, elle mets un peu plus de 70 jours à se remplir dans le pire des cas et le rejet d'effluent journalier conseillé s'élève à 36 m3/J. Dans le cas ou la lagune à des fuites, il conviendra de relâcher moins d'effluent pour compenser la perte d'eau due aux infiltrations. Il est cependant fortement recommandé dans notre cas d'imperméabiliser la lagune pour na pas contaminer la nappe alluviale qui est très haute étant donné que nous nous trouvons à coté du fleuve Sénégal.

 

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