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See detailModélisation des processus physiques et biologiques dans des fosses septiques et voies de valorisation des boues de vidange:Application à Bujumbura-Burundi
Nsavyimana, Gaston ULg

Doctoral thesis (2014)

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 ... [more ▼]

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. [less ▲]

Detailed reference viewed: 34 (14 ULg)
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Peer Reviewed
See detailBoues de vidange des fosses septiques: Caractérisation et voies de valorisation-Cas du Burundi
Nsavyimana, Gaston ULg; Bigumandondera, Patrice; Baya, Dehenould Trésor et al

Conference (2013, October 04)

Les fosses septiques (F.S) sont classées parmi les digesteurs anaérobies les plus utilisés au monde dans le domaine de traitement des eaux usées (McCarty, 2001; Coelho et al., 2003; Wibisono et al., 2003 ... [more ▼]

Les fosses septiques (F.S) sont classées parmi les digesteurs anaérobies les plus utilisés au monde dans le domaine de traitement des eaux usées (McCarty, 2001; Coelho et al., 2003; Wibisono et al., 2003). Cependant, un des grands problèmes d’utilisation de ces dispositifs, est la gestion des boues de vidange (Strauss et al., 1997; Strauss et al., 2000; Koanda, 2006). Cette étude vise à: (i) caractériser les boues de vidange des FS et déterminer leur potentiel méthanogène; (ii) élaborer des modèles prédictifs de production cumulée maximale de biogaz à partir de quelques caractéristiques si les boues sont digérées; (iii) quantifier l'intérêt de leur co-digestion anaérobie avec des déchets solides organiques des marchés en vue de leur valorisation énergétique. Des paramètres indicateurs de pollution comme: DCOtotale, DCOsoluble, DCOparticulaire, DBO5 totale, DBO5 soluble, DBO5 particulaire, DBOtotale infinie, MVS, MES, AGV, pH, SO42-, N-NH4+, Ntotal et PO43- ont par ailleurs été analysés sur des échantillons des boues de vidange de vingt et une fosses septiques. Pour une bonne interprétation des données, quelques ratios entre certains paramètres ont été déterminés. Il s’agit de: DCOtotale/DBOtotale infinie, DCOtotale/DBO5 totale , DCOpart. /MES , DBO5 part. /MES , MVS/MES , NH4+/DCOtotale , NH4+/Ntotal, NH4+/DCOsoluble, DCOsoluble/SO42-, DCOpart./DCOtotale, DCOsoluble/DCOtotale, DBOtotale infinie/MES, MVS/DCOsoluble et MVS/DBOtotale infinie. Au regard des tendances centrales (valeurs médianes) correspondant à ces rapports (adimensionnels) entre paramètres (et qui sont respectivement égaux à 2,06; 2,83; 1,29; 0,49; 0,76; 0,10; 0,73; 0,40; 358; 0,79; 0,20; 0,85; 2,23 et 0,93), une hypothèse de valorisation des boues de vidange par digestion anaérobie a été formulée et exécutée. Néanmoins, celles-ci produisent de faibles quantités de biogaz (2,09 m3 biogaz/m3 boues fraiches de FS après deux mois de digestion; dont la composition est de 71% CH4 contre 29 % CO2). Ces résultats ont toutefois servi de base à l’établissement des modèles prédictifs de production cumulée maximale de biogaz (cas de digestion des boues seules), (Equations 1 et 2). Ces modèles ont été élaborés à l'aide d'un logiciel de traitement statistique (statistica®), en appliquant un ajustement non linéaire de Gauss-Newton. (1), (voir version pdf) (2), (voir version pdf) Où P est en m3, MVS, DBOtotale infinie et DCOsoluble en kg/m3 Lorsque les boues des FS sont digérées à une température différente de celle reprise dans les Equations (1) et (2), la production cumulée maximale de biogaz à une température quelconque peut être calculée à partir de l'Equation (4). Celle-ci est inspirée de la relation de Rittman et McCarty (2001),(Equation 3) selon laquelle la température influence l'activité dans un réacteur biologique. (3), (voir version pdf) (4), (voir version pdf) Où PT désigne la production cumulée maximale de biogaz à température T; P30°C traduit la production cumulée maximale de biogaz à 30°C; symbolise l'activité maximale à la température d'expérimentation T_exp; représente l'activité maximale calculée à la température T et désigne le coefficient de température. Une analyse des paramètres statistiques relatifs au modèle traduit par l’Equation (1) montre que la proportion de la variance expliquée du modèle vaut 0.97, avec un coefficient de détermination (R2) de 0.98. Cela indique une forte corrélation entre la variable dépendante (qui n'est rien d'autre que la production cumulée maximale de biogaz) et la variable indépendante (à savoir le rapport MVS/DBObrute infinie), ce qui explique la fiabilité du modèle. Quant au modèle traduit par l’Equation (2), la proportion de la variance expliquée équivaut à 0.96 tandis que le R2 vaut 0.98, ce qui renseigne, comme pour le premier modèle, d'une forte corrélation entre la production cumulée maximale de biogaz et le rapport MVS/DCOsoluble. Les valeurs des rapports MVS/DCOsoluble (2,23) et MVS/DBOtotale infinie (0,93) montrent en outre que ces boues contiennent plus de biomasse épuratrice que de substrat. Cette étude a montré que bien que les boues de vidange des fosses septiques (FS) soient presque stabilisées du point de vue valorisation énergétique, elles contiennent beaucoup de biomasse épuratrice qui peuvent servir d'inoculum pour la dégradation d'autres déchets, notamment les déchets solides fermentescibles. A cet effet, des essais dans des réacteurs pilotes (échelle de laboratoire) ont été exécutés pour évaluer l’intérêt de co-digestion anaérobie des boues de vidange des FS avec des déchets solides fermentescibles (déchets des marchés). L’étude a été menée en cinq scenarii différents, définis sur base d’un critère « Ratio: MVSFS/MOVdéchets ». En d’autre terme, ce critère n’est rien d’autre que le rapport biomasse-substrat. Les ratios: MVSFS/MOVdéchets respectivement égaux à 0,3; 0,5; 1; 1,5 et 2 ont été évalués. Le rapport MVSFS/MOVdéchets égal à 0,3 est jugé optimal pour une bonne valorisation de ces déchets avec un taux de production maximal de biogaz égal à 12,14 m3 biogaz/m3 mélange frais de gadoues-déchets. La composition du biogaz produit est de 65,6% CH4 de moyenne contre 34,4% de CO2 de moyenne. Cette étude démontre donc que ces déchets (boues de vidange et déchets solides fermentescibles) peuvent alors être considérés comme une ressource et non comme un problème . Mots clés: Fosses septiques; Boues de vidange; Caractérisation; Biomasse épuratrice; Potentiel méthanogène; Co-digestion anaérobie; Déchets solides organiques; Valorisation énergétique. [less ▲]

Detailed reference viewed: 55 (22 ULg)
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Peer Reviewed
See detailCo-digestion anaérobie des boues de vidange des fosses septiques avec les déchets des marchés fermentescibles
Nsavyimana, Gaston ULg; Bigumandondera, Patrice; Ndikumana, Théophile et al

Poster (2012, November 09)

L’assainissement des eaux usées domestiques dans les villes africaines en général et dans les villes burundaises en particulier, se fait presque exclusivement par les techniques d’assainissement ... [more ▼]

L’assainissement des eaux usées domestiques dans les villes africaines en général et dans les villes burundaises en particulier, se fait presque exclusivement par les techniques d’assainissement individuel, notamment les fosses septiques (F.S). Par ailleurs, la gestion des boues de vidange des F.S, lorsqu’elles sont remplies constitue aussi un problème qui n’a pas encore trouvé une solution adéquate. Ces déchets sont généralement déversés sans aucun contrôle (lieux, manutentions), ce qui occasionne des risques sérieux pour la santé de la population (maladies d’origine hydrique, paludisme, etc.) et pour l’environnement (odeurs, pollution des nappes et eaux de surface, esthétique de la ville, etc.). Une optimisation de leur gestion s’avère donc plus que nécessaire. En plus de la problématique de gestion de ces derniers, les déchets de marché sont aussi produits quotidiennement en quantité importante et constituent aussi une problématique quant à leur gestion. La caractérisation la plus approfondie possible de ces déchets a constitué une étape clé de notre recherche quant à l’orientation sur l’étude de leur valorisation. Quelques ratios par rapport à certains paramètres de pollution (cas des boues de vidange), permettant de s’orienter à telle ou telle autre filière de leur valorisation ont été calculés sur base des valeurs expérimentales. Il s’agit de: MVS/MES, DBObrute ∞ /MVS, DCOs/MVS, DCOpart./DCObrute, DBO5 part./DBO5 brute, DCO brute/DBObrute ∞, DCO part./MES, DBO5 part/MES, DCOs/SO42- , N-NH4+/DCObrute, N-NH4+/DCOs, N-NH4+/NTotal.. Les valeurs liées à ces derniers sont repris sur le poster. Au regard des résultats sur la caractérisation, une hypothèse sur l’investigation par rapport à la modélisation de production de biogaz à partir des boues de vidange des F.S a été formulée et exécutée. Les résultats nous ont montré une faible production de biogaz d’environ 2,09 m3 biogaz/ m3 de boues de vidange F.S après 2 mois de digestion. Seuls 12,33% de DCO brute ont été éliminés et de cette DCO éliminée, 95% est transférée en CH4. Le taux de production de CH4 correspondait à 0,33 m3 CH4/ kg DCO éliminé. Le biogaz produit a montré une composition en CH4 de 71 % contre 29 % de CO2. La combinaison des résultats sur la caractérisation approfondie des boues de vidange et la modélisation de production de biogaz à partir de ces dernières nous prouvent que les boues de vidange des F.S sont presque stabilisées du point de vue valorisation énergétique. Par contre, elles contiennent beaucoup plus de biomasse (anaérobie) épuratrice que le substrat, ce qui nous a permis de formuler une autre hypothèse sur l’investigation par rapport à la co-digestion anaérobie de ces boues de vidange avec les déchets solides de marché fermentescibles. Que ce soit pour les boues de vidange des fosses septiques ou les déchets de marché fermentescibles, des échantillons représentatifs ont été utilisés. L'échantillonnage a été réalisé à Bujumbura (Burundi). Sachant que les boues de vidange constituent une bonne source de biomasse et que les déchets de marché fermentescibles constituent leur source de nourriture, un critère « rapport: MVS F.S /MOV déchets » qui n’est rien d’autre que le rapport biomasse-substrat a été fixé pour évaluer de manière quantitative l’intérêt de leur co-digestion. Cinq scénarii ont été formulés : MVS F.S /MOV déchets = 0,3; MVS F.S /MOV déchets = 0,5; MVS F.S /MOV déchets = 1 ; MVS F.S /MOV déchets = 1,5; MVS F.S /MOV déchets = 2. Le meilleur scénario (MVS F.S /MOV déchets = 0,3) a permis une amélioration de rendement de 737% de production de biogaz par rapport à la digestion des boues de vidange seules, soit 12,6 m3 biogaz/m3 de mélange gadoues-déchets après 38 jours de digestion. La température étant été fixé à 30°C. La composition du biogaz produit est de 65,6% CH4 de moyenne contre 34,4% de CO2 de moyenne. Le rapport MVS F.S /MOV déchets = 0,3 a été donc considéré optimal pour une bonne gestion de ces déchets de nature diverse. Il permet aussi d’apporter une valeur ajoutée quant à la solution au problème de crise énergétique qui est aussi de grande envergure au Burundi. En définitive, cette recherche démontre que les déchets (boues de vidange des F.S et déchets de marché fermentescibles) peuvent être considérés comme une ressource et non comme un problème. Leur co-traitement permettrait, tout en réduisant les nuisances associées à ces déchets, de produire une énergie valorisable et de fournir in fine un produit compostable de meilleure qualité. Mots clés: Fosses septiques; Boues de vidange; Caractérisation; Biomasse épuratrice; Potentiel méthanogène; Co-digestion anaérobie; Déchets solides organiques; Valorisation énergétique. [less ▲]

Detailed reference viewed: 64 (24 ULg)
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See detailVers une meilleur compréhension de l’assainissement non collectif en Afrique Subsaharienne intégrant les trois maillons de la chaine: Application à la ville de Bujumbura
Bigumandondera, Patrice ULg; Nsavyimana, Gaston ULg; Ndikumana, Théophile et al

Poster (2012, November 08)

Vers une meilleure compréhension de l’assainissement non collectif en Afrique subsaharienne intégrant les trois maillons de la chaine : Application à la ville de Bujumbura. Bigumandondera Patrice 1,2 ... [more ▼]

Vers une meilleure compréhension de l’assainissement non collectif en Afrique subsaharienne intégrant les trois maillons de la chaine : Application à la ville de Bujumbura. Bigumandondera Patrice 1,2* ; Nsavyimana Gaston 1,3 ; NDikumana Théophile 3 & Vasel Jean Luc 1 (1) Université de Liège, Département des Sciences et Gestion de l’environnement (DSGE). Unité Assainissement et Environnement. 185 Avenue de Longwy, 6700Arlon, Belgique. (2) Université du Burundi, Institut de Pédagogie Appliquée, Département de Chimie, B.P.5223 Bujumbura- Burundi. (3) Université du Burundi, Faculté des Sciences, Département de Chimie, B.P.2700 Bujumbura- Burundi. *Adresse de correspondance : bigumandonderape@yahoo.fr Une étude par enquête intégrant l’assainissement non collectif (ANC) dans toutes ses composantes (c'est-à-dire trois maillons de la filière: amont, intermédiaire et aval) a été menée en ville de Bujumbura capitale du Burundi. L’enquête a concerné quatre des huit communes utilisant l’ANC (Kinindo, Musaga, Cibitoke et Kinama). Les critères d’échantillonnage ont été le standing de l’habitat ainsi que la distance entre la commune en question et le site de dépotage des boues de vidange. Au total, 585 ménages ont été enquêtés. Les informations recueillies ont été encodées et stockées dans une base de données Access afin de faciliter l’exploitation. L’analyse des données d’enquête a été faite par un logiciel Statistica et la méthodologie consistant à définir une variable d’’intérêt en l’occurrence l’ouvrage d’ANC a été adopté pour traiter et interpréter nos données d’enquête. Les résultats issus des enquêtes montrent dans Kinama et Cibitoke une prédominance de la latrine traditionnelle (LT) comme ouvrage d’ANC tandis que la fosse septique (FS) prédomine dans Musaga et Kinindo. L’analyse factorielle de correspondance appliquée à nos données montre que d’un côté, les ménages qui utilisent la FS possèdent l’eau de la Regideso à la parcelle, l’habitat est majoritairement de haut standing ou de moyen standing et la vidange des boues se fait par camion spécialisé avec dépotage en station d’épuration et de l’autre côté, ceux qui utilisent la LT s’approvisionnent en eau par fontaine publique d’une façon générale, l’habitat est majoritairement de bas standing et quand la latrine est pleine, ils réalisent une autre fosse ou vidangent les boues manuellement avec dépotage clandestin. La gestion des eaux usées domestiques (eaux grises) au niveau des ménages est presque identique pour tous les ouvrages et consiste indistinctivement en un déversement dans les caniveaux sans aucun traitement préalable. Mots clés : Assainissement non collectif, maillons de la chaîne, variable d’intérêt, base de données Access, analyse factorielle des correspondances, ouvrages d’assainissement non collectif, enquête, ville de Bujumbura. [less ▲]

Detailed reference viewed: 16 (1 ULg)
See detailLe biogaz, source d'énergie locale et internationale
Adam, Gilles ULg; Nsavyimana, Gaston ULg

Conference given outside the academic context (2010)

Le biogaz est une énergie renouvelable simple encore trop peu exploitée malgré les innombrables ressources en biomasse valorisables par cette filière. En Belgique, la méthanisation à la ferme utilise les ... [more ▼]

Le biogaz est une énergie renouvelable simple encore trop peu exploitée malgré les innombrables ressources en biomasse valorisables par cette filière. En Belgique, la méthanisation à la ferme utilise les déchets organiques des exploitations (lisier, fumier). Ceux-ci sont méthanisés pour produire du biogaz, valorisé en énergie électrique et chaleur, et du digestat, la fraction liquide, utilisé comme fertilisant. En Afrique, en plus d'être une source d'énergie, la méthanisation est utile dans le traitement des eaux usées. La valorisation des boues de vidange des fosses septiques pour produire du biogaz s'avère une solution pour nombre de villes africaines dont la gestion de ces boues n'est pas contrôlée et présente d'énormes risques sanitaires et environnementaux. Voici comment la méthanisation est une solution aux problèmes environnementaux et énergétiques dans divers pays, développés et en développement. [less ▲]

Detailed reference viewed: 92 (15 ULg)