PRODUCTION DES CLADOCERES DANS LES BASSINS DE LAGUNAGE: MODELISATION ET ANALYSE DE RENTABILITE DE LEUR VALORISATION

摘要

Face à l’urgence exprimée par la communauté internationale de trouver des solutions efficaces et durables à la crise sanitaire, due au manque d’accès à l’assainissement dans les pays du sud, la présente thèse s’est intéressée à l’étude de la possibilité de promouvoir ce secteur à travers l’intégration, dans les projets d’assainissement, d’incitants financiers tels que la valorisation des cladocères qui se développent dans les bassins de lagunage. Pour ce faire, une approche méthodologique basée sur la modélisation (qui permet d’intégrer tous les processus et les variables qui concourent au fonctionnement des bassins de lagunage) a été adoptée pour non seulement améliorer les connaissances sur le fonctionnement de ces bassins, mais aussi estimer les productions des cladocères et leurs impacts sur l’épuration des eaux dans ces bassins. Ensuite, la rentabilité d’un avant-projet de valorisation des cladocères a été étudiée dans le contexte socio-économique du Bénin.Le travail a débuté par une revue de la littérature, s’est poursuivi par les calibrations des techniques utilisées pour estimer les biomasses de Daphnia pulex et des différents substrats utilisés. Les études de cinétiques et de stœchiométries des différents processus de conversion biochimique impliquant les cladocères, ainsi que l’étude de rentabilité de deux variantes de valorisation des cladocères, ont complété le travail. La stœchiométrie de chacun des différents processus de conversion biochimique a été décrite en commençant par démontrer que les biomoles appliquées dans le modèle "ModLag" et dans le RWQM1 sont bien applicables aux organismes étudiés dans la présente thèse puis, à défaut des équipements requis pour mesurer les paramètres stœchiométriques, en utilisant les valeurs proposées dans le RWQM1. Toutefois, des commentaires importants sur les mesures de ces paramètres, ont été effectués aux regards non seulement des pratiques en vigueurs en hydrobiologie d’une part et en biotechnologies (sur les cultures en continue sur chémostat notamment) d’autre part, vis-à-vis des besoins pour la modélisation. Des démarches méthodologiques ont été proposées. Les résultats obtenus des études cinétiques montrent que :- la cinétique de la croissance des cladocères sur les bactéries est décrite par un modèle de type Monod qui traduit une augmentation du taux de croissance en fonction des teneurs en bactéries, jusqu’à une certaine teneur en bactéries à partir de laquelle on observe une saturation de la croissance,- la cinétique de leur croissance sur les algues est décrite par un modèle qui traduit une inhibition de la croissance par de fortes teneurs en algues,- la cinétique globale de la croissance de D. pulex simultanément sur Scenedesmus sp. et E. coli est mieux décrite par le modèle de cinétique avec paramètre d’interaction, que par le modèle sans interaction. - les teneurs en cyanobactéries influencent la cinétique de la mortalité des cladocères. Ce travail est le premier, à notre connaissance à prendre en compte, en modélisation, la mortalité des cladocères du fait de la toxicité des cyanobactéries.Les résultats des analyses de stœchiométrie révèlent que :- Pour produire 1 g d’équivalent DCO de D. pulex, 5 g d’équivalent DCO de Scenedesmus sp., (ou d’E. coli) sont oxydés dont 0,77 sont convertis en matières organiques particulaires et, le reste (soit 3,23 équivalent DCO ou 65%) est oxydé (pour la production de l’énergie nécessaire au métabolisme) sous forme de CO2.- En conditions de respiration endogène (observée dans les bassins de lagunage, en période de surpopulation de cladocères par rapport aux ressources alimentaires disponibles), on assiste à un abattement de la DCO des daphnies exclusivement au profit de la production d’énergie pour le catabolisme.- Lorsque l’équivalent en DCO de 1 g de D. pulex meurt, 1,2 g de DCO de matières organiques particulaires sont produites dont 79% sont biodégradable.L’impact des cladocères sur l’épuration des eaux dans les bassins de lagunage peut ainsi être analysé de manière approfondie, à la fois au plan cinétique et stœchiométrique, à l’aide de la modélisation globale du système "bassin de lagunage" en complétant le "sous-modèle cladocère" proposé dans la présente thèse, au modèle de lagunage "ModLag" de l’unité "Assainissement et Environnement" et, en réalisant des simulations à l’aide du logiciel "WEST". L’essentiel du travail nécessaire pour la réalisation des simulations a été effectué et présenté dans le chapitre VIII; par contre, les simulations n’ont pas pu être finalisées avant le dépôt de la présente thèse dans les délais exigés, en raison d’un problème survenu sur "WEST". Elles le seront avant la défense publique de cette thèse et, les résultats pourront alors être présentés. En attendant, les analyses de cinétiques et de stœchiométries montrent que dans des conditions non limitantes en substrats et en absence de cyanobactéries, la vitesse de croissance des cladocères étant supérieure à la somme des vitesses de leur respiration et de leur mortalité, on assisterait plus à un abattement de la DCO essentiellement algale et bactérienne. Cela révèle que s’il est bien géré avec des récoltes périodiques, un étage trophique constitué de cladocères peut contribuer à accroître le rendement épuratoire en réduisant les biomasses d’algues et de bactéries en fin de traitement. Ces récoltes périodiques de biomasses de cladocères, permettront de maintenir un bon état de fonctionnement du système en évitant de trop réduire les biomasses d’algues et de bactéries qui assurent respectivement, l’oxygénation de l’eau et la minéralisation de la pollution organique dissoute avec un effet détoxifiant notamment à travers la nitrification de l’ammoniac.L’étude de rentabilité de l’avant-projet de valorisation des cladocères produits dans les bassins de lagunage révèle que, dans le contexte socio-économique du Bénin, avec une production journalière estimée à 1,19 g poids sec/m3.j :- la variante 1 consistant en une vente des récoltes de cladocères sous la forme de surgelés (ou de produits secs) est rentable et permet de réaliser un bénéfice annuel de l’ordre de 15.000 €/ha.an (si l’on considère la surface totale de l’exploitation), même en prenant en compte le remboursement sur une durée de dix ans des investissements dédiés à l’achat de terrains et à l’aménagement de la station d’épuration. - la variante 2 consistant en une valorisation sur place de la biomasse de cladocères, dans la production de poissons est également rentable mais seulement si les investissements pour l’achat de terres et les aménagements, n’étaient pas remboursés. Dans ces conditions, elle permettrait de réaliser un bénéfice annuel de 1629 €/ha.an (si l’on considère la surface totale de l’exploitation) ou 6803 €/ha.an (si l’on considère uniquement la surface du bassin de production).Cette étude a permis de :- mettre en exergue les insuffisances des modèles de la littérature, pour décrire la croissance des cladocères dans les bassins de lagunage, - bien cerner les substrats (algues et bactéries) qui contribuent à la croissance des cladocères ainsi que l’influence des teneurs de ces substrats sur la cinétique de leur croissance;- prendre en compte l’influence des cyanobactéries sur la cinétique de la mortalité des cladocères ;- apporter une importante contribution à la modélisation du fonctionnement des bassins de lagunage, en spécifiant clairement les modèles qui décrivent les cinétiques de croissance des cladocères sur les algues et les bactéries, et la cinétique de la mortalité des cladocères, en présence des cyanobactéries ;- proposer un sous-modèle qui traduit les processus de conversion biochimiques impliquant les cladocères ;- montrer que les récoltes raisonnables de cladocères contribuent à optimiser l’équilibre du système et ses performances épuratoires ; leur valorisation est financièrement rentable pour la gestion d’une station d’épuration, voire du secteur de l’assainissement.- montrer qu’il est possible de réaliser des marges bénéficiaires importantes à travers la valorisation des cladocères, et par conséquent, d’intégrer dans la conception des projets d’assainissements destinés aux pays du sud, des incitants financiers. Cela pourrait motiver les investisseurs à promouvoir ce secteur, et, accroître l’accès des populations à l’assainissement.