Etude et Modélisation de la contribution des macrophytes flottants (Lemna minor) dans le fonctionnement des lagunes naturellles
Le lagunage à macrophytes flottants, procédé rustique d'épuration, constitue l'une des alternatives adéquates du traitement des eaux usées dans les pays en développement en général, et en République Démocratique du Congo en particulier. Plusieurs organismes (par exemple, les bactéries, les protozoaires, les algues, les plantes aquatiques) sont impliqués dans les processus d'épuration dans la lagune. La qualité du rendement de cette écotechnologie décentralisatrice dépend ainsi fortement de la gestion de la biomasse végétale présente dans les bassins d'épuration. En effet, un excès (ou une carence) de celle-ci pourrait entraver les rendements épuratoires et engendrer des conséquences néfastes dans l'écosystème environnant (faune, flore, riverains,...). De ce fait, la gestion optimale de ces bassins, et plus particulièrement de la biomasse des macrophytes flottants, permettrait d'éviter ces dysfonctionnements. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui porte sur l'étude et la modélisation de la contribution des macrophytes flottants, notamment les lentilles d'eau (Lemna minor), dans le fonctionnement des lagunes naturelles. Différents axes ont ainsi été abordés pour répondre à cet objectif général : (1) la modélisation de la cinétique de croissance de Lemna minor en fonction des paramètres du milieu; (2) l'étude de la stœchiométrie de croissance de Lemna minor et celle des phénomènes des transferts gaz/liquide dans les bassins; et (3) la conceptualisation du modèle de lagunage par lentilles d'eau (MLLE), inspiré de River Water Quality Model N°1 (RWQM1). L'approche bilan de matière basée sur la matrice de Petersen a été appliquée dans la démarche de la modélisation. L’étude de la cinétique de croissance des lentilles d'eau a été menée à l'échelle pilote par le suivi de la biomasse végétale selon les méthodes gravimétriques (masse humide/sèche) et l'analyse d'images numériques. Les résultats des essais cinétiques ont montré que la croissance de Lemna minor est optimale à des teneurs respectives en azote ou phosphore avoisinant 10 mg.N-NH4+.L-1 et 1 mg P-PO43-.L-1, respectivement. Le taux de croissance maximum obtenu est autour de 0.09 j-1. Cette croissance connait toutefois une chute progressive à partir de 16 mg N-NH4+•L-1 et de 6 mg P-PO43-•L-1, suite à la limitation des teneurs en nutriments et une possible inhibition due à un excès de substrats à des teneurs plus élevées. Par ailleurs, dans les essais à luminosité variable, il s'est avéré qu'au-delà de 450 µmol.m-².s-1, l'intensité lumineuse devient nuisible pour les plantes (chute brutale de 60% du taux de croissance) malgré un faible taux de mortalité enregistré (b < 0.05 j-1). Ces différents résultats ont permis la proposition d'un modèle cinétique de croissance de Lemna minor en fonction des teneurs en azote et en phosphore, du pH, de l'intensité lumineuse, et de la température. L'étude de la stœchiométrie de croissance des lentilles d'eau a conduit à la mise au point de la biomole de la plante (C88H163O70N10P) et au développement des réactions biochimiques qui se déroulent dans le bassin à lentilles d'eau, ainsi qu'à la détermination des taux de conversion des substrats en biomasse dans chacune de ces réactions (processus). La nullité des bilans DCO (demande chimique en oxygène) dans ces processus a confirmé la conservation de la matière dans le modèle stœchiométrique développé. Les essais d'aération réalisés dans le pilote ont également montré l'influence de la couverture végétale sur les paramètres de transferts gaz/liquide. Les coefficients de transfert, les capacités d'oxygénation et les apports horaires décroissent de manière exponentielle avec l'augmentation du taux de couverture aussi bien en absence qu'en présence des plantes. L'hypothèse du rejet majoritaire d'oxygène (consommation du dioxyde de carbone) par les lentilles d'eau vers l'atmosphère (environ 80%) a aussi été confirmée par les essais de bilan en oxygène. Des précédents résultats sur les processus biochimiques (cinétique et stœchiométrie de croissance et mortalité des plantes) et les processus physiques [transferts gaz/liquide (O2, CO2)], un modèle mathématique du lagunage à lentilles d'eau (i.e., MLLE) a été conceptualisé (développé). L'impact des teneurs en nutriments (azote et phosphore) sur la croissance des lentilles d'eau, ainsi que l'influence de la libération (consommation) de l'oxygène (dioxyde de carbone) par ces plantes sont suivis à travers les différentes équations de bilan de masse des variables d'état du modèle. La validité du modèle mathématique a été ainsi vérifiée par l'équilibre de la matrice de Petersen. Les simulations à travers le logiciel WEST® (World Wide Engine for Simulation, Training and Automation) constituent une piste pour le calage, la validation et la transposition du modèle ainsi développé. Mots clés: Lemna minor, biomasse, traitement d'images, substance nutritive, biomole, transferts gaz/liquide, modèle
Lemna minor, biomasse, traitement d'images, substance nutritive, biomole, transferts gaz/liquide, modèle, Life sciences, Environmental sciences & ecology, Sciences du vivant, Sciences de l’environnement & écologie
Networked Digital Library of Theses and Dissertations