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Mesure de DBO : évolutions et méthodes complémentaires

30 janvier 2020 Paru dans le N°428 à la page 81 ( mots)
Rédigé par : Antoine BONVOISIN

Dans de nombreux cas, la réglementation impose de réaliser des mesures de DBO pour quantifier le degré de l’activité biologique des effluents. Cependant, certaines méthodes sont aujourd’hui proposées en alternative ou en complément à la DBO5. Explications.

La DBO (Demande Biologique ou Biochimique en Oxygène) désigne la quantité d’oxygène utilisée par les bactéries pour biodégrader des matières organiques. Son contrôle et sa mesure, encadrés par des normes DIN et ASTM, reposent sur une évaluation déterminée au bout de cinq jours à 20 °C à l’abri de la lumière, raison pour laquelle elle est dénommée DBO5.
Le fait de quantifier la DBO permet ainsi de mesurer indirectement l’activité bactérienne et d’appréhender la charge organique dégradable biologiquement dans l’eau.
AMS Alliance a développé un équivalent réglementaire à la méthode de référence (EN NF 1899-1) permettant d’obtenir des résultats en 48 heures seulement et sous format haut-débit : Enverdi®- DBO.

Mais la mesure de la DBO5 peut poser certaines difficultés : la principale est liée aux 5 jours d’attente, période durant laquelle la composition des eaux analysées aura pu varier substantiellement.

Certaines méthodes ont donc été développées pour contourner ce problème, et apporter des résultats plus rapidement, notamment dans des situations d’urgence.
« Chez Hach Lange France, nous employons toujours la méthode normée en 5 jours, même si certaines choses se font aujourd’hui sur microplaques en 2 jours, explique Frédéric Soumet, Directeur des ventes. La plupart des clients préfèrent conserver cette solution. Notre méthode consiste à utiliser une sonde pour mesurer l’oxygène dissous : plus les bactéries consomment de l’oxygène, plus cela sera significatif d’une activité bactérienne forte. La décroissance en oxygène fait donc apparaître la valeur de DBO. Nous utilisons aujourd’hui des sondes optiques en oxygène, plus faciles à mettre en œuvre que les anciennes électrodes à membranes. Nous avons notamment des sondes qui se fixent directement sur les flacons pour réaliser les mesures ce qui est très pratique. L’inconvénient reste qu’on ne peut pas obtenir directement les valeurs et on ne peut donc constater les erreurs de protocole qu’au bout de 5 jours ».

Des solutions pour une mesure accélérée de la DBO

Certaines méthodes permettent aujourd’hui de raccourcir le temps nécessaire pour obtenir des valeurs de DBO. C’est le cas par exemple d’AMS Alliance, qui a développé un équivalent réglementaire à la méthode de référence (EN NF 1899-1) permettant d’obtenir des résultats en 48 heures seulement et sous format haut-débit : Enverdi®- DBO. Un décret dérogatoire à l’arrêté du 21 juillet 2015 qui imposait l’utilisation de la norme NF EN 1899-1 permet désormais de profiter des avantages de cette nouvelle méthode dans un cadre réglementaire. La méthode DBO2 commercialisée par AMS Alliance fait en effet l‘objet d’une expérimentation officielle autorisée par le gouvernement français jusqu’en 2021, en vue de son adoption à terme comme méthode officielle et normée.
RS Hydro a mis sur le marché la sonde ProteusBOD, qui permet de mesurer en temps réel la DBO. Cette sonde, qui repose sur la fluorescence, intègre un spectrofluoromètre submersible et miniature fonctionnant à partir d’ondes courtes LED.

Basée sur la fluorescence, cette méthode utilise un bio-réactif fluorescent qui réagit à la demande biologie en oxygène, et permet ainsi de suivre la respiration des bactéries. « Nous avons sélectionné la température de 30 °C afin d’accélérer les réactions métaboliques bactériennes. Cette condition expérimentale d’augmentation de la température pour la mesure de DBO5 est déjà utilisée et normée dans certains pays notamment l’Inde ou la Malaisie, explique Solenn Bellaton, Chef de projet chez AMS Alliance. Nous avons développé la méthode sous le format de kit en microplaque ce qui permet d’avoir une analyse haut débit avec un système compact. Nos kits comprennent les réactifs, les étalons de calibration brevetés ainsi que les différents consommables nécessaires à l’analyse. Nos étalons de calibration, qui miment la dégradation de la matière organique en 48 heures par les bactéries, permettent de traduire l’intensité de fluorescence détectée en mg O2/L. À l’heure actuelle, dans le cadre du projet France Expérimentation, notre méthode est reconnue par la réglementation ».

Par ailleurs, avec la mesure des colorations, « Le suivi de la mesure de la respiration bactérienne par fluorescence avec notre méthode permet de suivre en continu les niveaux de demande biochimique en oxygène lors de l’analyse », poursuit Solenn Bellaton. « La qualité des effluents varie au cours du temps, et le suivi des échantillons dans le temps peut s’avérer très intéressant ».
La valeur finale fournie par le kit Enverdi-DBO est exprimée en mg O2/L tout comme la méthode de référence. Pour simplifier la détermination de la DBO par cette méthode, AMS alliance a mis au point un Inoculum standard dédié : OptiSeed. Pour sécuriser et standardiser la DBO2 par la méthode Enverdi, l’entreprise propose ainsi une solution clés-en-mains comprenant l’inoculum bactérien, les réactifs, les étalons de calibration, les micro-plaques et le lecteur de fluorescence.
La méthode OxiTop® WTW de Xylem Analytics permet également de faire des mesures par respirométrie.

Sans prétendre au statut d’équivalent réglementaire, Proteus Instruments, une filiale de RS Hydro, a mis sur le marché en 2018 la sonde ProteusBOD, qui permet de mesurer en temps réel la DBO. Cette sonde, qui repose sur la fluorescence, intègre un spectrofluoromètre submersible et miniature fonctionnant à partir d’ondes courtes LED. La sonde ProteusBOD s’intègre facilement à tout type de systèmes de télémétrie (SCADA) et peut également être utilisé avec les dispositifs d’enregistrement déjà existants avec port externe RS232/Modbus/SDI 12. Son enregistreur intégré de données peut stocker jusqu’à 1.000.000 de lectures pouvant être visualisées sur un téléphone portable où une tablette. Elle peut être configurée en fonction des besoins de l’utilisateur en termes de paramètres et offre une plateforme unique pour ajouter des capteurs supplémentaires tels que pH, redox, conductivité, oxygène dissous et autres. Pour Rob Stevens, Dirigeant Fondateur de RS Hydro et ProteusBOD Instruments, « Proteus représente une technologie révolutionnaire, scientifiquement prouvée, qui change la façon de surveiller la qualité de l’eau à distance et pourrait représenter l’une des technologies de rupture les plus importantes observées dans le secteur depuis plusieurs décennies. Maintenant brevetée, notre technologie en temps réel permet de supprimer l’envoi des échantillons de DBO et DCO pour des tests de cinq jours ». En assurant une surveillance en temps réel, la sonde ProteusBOD permet de réagir rapidement en cas d’incident ou de non-conformité sans quasiment aucun coût de maintenance. Elle permet ainsi de protéger les rivières, les lacs, les eaux souterraines, les sources d’eau potable et les eaux de baignade. Elle favorise également en respect des exigences réglementaires et évitant ainsi les pénalités que pourraient engendrer tout dysfonctionnement.

Évaluer la demande en oxygène par respirométrie

La respirométrie est une autre méthode alternative à la mesure de DBO développée par des fabricants tels que Endress+Hauser, Xylem Analytics, Swan, S::can, EFS, Anael, Aqualabo, ou encore Bioritech Physitek.
Elle est également proposée par Hach Lange France. Le système BOD Direct Plus utilise ainsi des flacons munis de manomètres directement intégrés dans les bouchons, pour mesurer des dépressions d’oxygène. « Les manomètres donnent les valeurs de DBO à un instant t, mais également les courbes d’évolutions de la DBO, explique Frédéric Soumet. L’inconvénient de cette méthode, comme pour la DBO, est qu’elle nécessite des installations volumineuses et qu’elle représente un certain coût ».
La méthode OxiTop® WTW de Xylem Analytics permet également de faire des mesures par respirométrie. « C’est plus simple à mettre en œuvre que la mesure de DBO5 normalisée par sonde à oxygène dissous, explique Julien Garrigues, Ingénieur Technico-Commercial Process. On utilise des capteurs de pression placés sur des flacons pour mesurer in fine la DBO5, permettant un suivi de la DBO sur 5 jours avec un affichage de la courbe ».
Le kit d’analyse proposé par LuminUltra Technologies permet de mener des analyses à différents points d’une station, par exemple sur un bassin d’aération, sur la circulation des boues, et sur la concentration des matières en suspension.

« La mesure de DBO5 est une méthode normalisée, fastidieuse à réaliser en laboratoire. Mais nos clients ont besoin d’obtenir des mesures fiables, reproductibles et faciles à exécuter sans être expert dans les techniques d’analyses en laboratoire. C’est pourquoi on utilise des méthodes d’autocontrôle comme la respirométrie, qui viennent compléter les mesures de DBO5» explique-t-il. La respirométrie n’est pas normalisée en France, mais elle est reconnue officiellement dans d’autres pays du Nord de l’Europe pour déterminer la DBO5.

Le système de détection OxiDirect de Lovibond® Tintometer est conçu pour 6 échantillons et permet également une mesure précise de la DBO basée sur le principe manométrique. Les respiromètres manométriques enregistrent la capture d’oxygène par le changement de pression due à la consommation d’oxygène à volume constant.
Une autre méthode complémentaire à la DBO5 est l’ATPmétrie. Comme la DBO, la mesure de l’ATP permet de quantifier indirectement la présence de bactéries. Pour cela, on emploie une enzyme, la luciférase, qui engendre une luminescence lorsque les membranes bactériennes sont dégradées.

Une méthode complémentaire à la DBO : l’ATPmétrie

« Avant, cette méthode avait l’inconvénient de mesurer à la fois l’ATP des bactéries mortes et vivantes, précise Frédéric Soumet. Mais aujourd’hui on filtre les bactéries pour garder uniquement ce qui concerne le vivant dans les échantillons. Ce sont les méthodes dites de génération 2, qui consistent à lyser les bactéries vivantes pour mesurer l’ATP présent dans leurs membranes ».
 Le nouveau spectro::lyser V3 de s::can permet une estimation de la DBO,
de la DCO et des MES en sortie
de station d’épuration en 10 secondes
et sans aucun réactif.

Si la DBO est plutôt utilisée sur des temps longs, l’ATPmétrie est plutôt efficace pour mesurer des présences ponctuelles de bactéries, par exemple pour détecter une contamination. L’ATP est en outre un paramètre mesurable en ligne, pour connaître en continu la présence de bactéries.

« La luciférase et les réactifs employés pour l’ATPmétrie sont assez onéreux, poursuit Frédéric Soumet chez Hach. Un choc chloré peut par exemple coûter 10.000 euros. C’est également pour cette raison que l’on privilégie d’utiliser l’ATPmétrie ponctuellement ».
La société LuminUltra Technologies propose exclusivement la mesure de l’ATP pour quantifier la flore bactérienne. « Le kit que nous avons développé pour les stations d’épuration est un outil d’aide à la prise de décision, qui nous permet d’apporter des informations sur la santé de la biomasse, explique Jean-Yves Soulard, Sales Engineer. L’ATP est un paramètre beaucoup plus réactif que d’autres indicateurs comme la DBO5».
L’avantage de la méthode UV est qu’elle ne nécessite aucun réactif, elle est stable dans le temps, et les sondes sont étalonnées sur la base de mesures comparatives réalisées en laboratoire.

Le kit d’analyse proposé par LuminUltra Technologies permet de mener des analyses à différents points d’une station, par exemple sur un bassin d’aération, sur la circulation des boues, et sur la concentration des matières en suspension.

« Avec notre technologie, on mesure l’ATP total (ensemble des bactéries vivantes et mortes), et l’ATP extracellulaire (bactéries mortes), ce qui nous permet d’en déduire le pourcentage de bactéries vivantes, et le pourcentage de mortalité, poursuit Jean-Yves Soulard. En intégrant la concentration des matières en suspension on peut obtenir la quantité de biomasse active dans les échantillons. Cela permet de mieux gérer la station et de donner un meilleur accès à la nourriture pour la biomasse vivante. Les mesures d’ATP et de DBO sont complémentaires, l’ATP permet de voir la quantité de biomasse vivante et les variations en très peu de temps. Avec l’ATPmétrie on peut anticiper des résultats que l’on obtiendrait par des méthodes conventionnelles ».
Le Kit LuminUltra QG21W utilisé pour le suivi de la santé de la biomasse en STEP, permet d’avoir une gestion en temps réel du ratio ‘’Nourriture-Biomasse’’. Ce paramètre est primordial pour pouvoir appréhender sans délai les épisodes de toxicité ou de carence en nutriment et optimiser ainsi le fonctionnement d’une STEP.

La mesure par absorbance UV pour estimer la DBO

La mesure UV est une autre méthode complémentaire à la DBO5.
La sonde UV-Probe 254+ de chez EFS est de technologie UV/visible et mesure par absorbance spectrale. Elle détermine en continu et en ligne les paramètres physicochimiques de DBO, DCO,
COT, ainsi que les MES par 2 longueurs d’onde différentes.

s::can, leader de la technologie par spectrométrie UV-Vis depuis 20 ans, propose une sonde immergeable pouvant déterminer simultanément la DBO, DCO, MES en entrée ou sortie de station d’épuration. Les calibrations globales d’usine peuvent être très facilement corrigées par rapport à des références de laboratoire. « De nombreuses stations d’épuration industrielles ou municipales françaises ont déjà installées nos sondes pour le suivi de leurs effluents et apprécient leur simplicité d’utilisation et leurs coûts d’exploitation quasiment nuls » explique Philippe Marinot, Directeur s::can France.

C’est aussi ce que propose Datalink avec l’analyseur CT200 et la sonde Odysséo, ou Xylem Analytics avec ses sondes innovantes in-situ CarboVis/NicaVis : « La mesure UV en ligne permet d’avoir une estimation rapide de la DBO ou DCO en moins de 3 minutes, donc de connaître de manière pratiquement instantanée la matière organique présente, notamment sur les eaux usées, précise Julien Garrigues. Nous proposons des sondes par mesures spectrales UV-Visible qui peuvent analyser la DBO mais aussi d’autres paramètres. Cela permet par exemple de connaître rapidement la charge entrante en matière organique en début de station d’épuration et d’adapter les traitements pour assainir au mieux l’eau usée. On peut aussi utiliser ces mesures en sortie de STEP en cas de pollution organique lors du rejet dans des milieux naturels sensibles ».
L’analyseur UV-Vis en ligne STAC2 de chez Aqualabo mesure la teneur en DBO par absorbance de la lumière UV. Sans réactif et sans consommable, il permet de visualiser en temps réel sur PC ou Smartphone les données et de les exporter via une clé USB.

L’avantage de la méthode UV est qu’elle ne nécessite aucun réactif, elle est stable dans le temps, et les sondes sont étalonnées sur la base de mesures comparatives réalisées en laboratoire. Ces sondes permettent de déterminer d’autres paramètres comme la DCO, le COT, les nitrates, nitrites, matières en suspension, etc. Elles nécessitent très peu de maintenance, les capteurs étant nettoyés automatiquement par ultrasons et air comprimé.

A ce titre, la sonde UV-Probe 254+ de chez EFS est de technologie UV/visible et mesure par absorbance spectrale. Elle détermine en continu et en ligne les paramètres physicochimiques de DBO, DCO, COT, ainsi que les MES par 2 longueurs d’onde différentes. Le nettoyage de la tête de mesure s’effectue par air comprimé de façon automatique et autonome. Usuellement installée dans les eaux usées urbaines ou les rejets industriels, son corps extérieur entièrement en acier inoxydable 316L offre une excellente tenue à la corrosion et une longévité opérationnelle accrue. La robustesse mécanique de son système de connexion et de transmission est assurée par un connecteur étanche IP68 côté sonde et un cordon de type sous-marin pour le raccordement. Le système fonctionne en immersion totale jusqu’à 10 mètres.

Hach propose également la méthode UV, qui est « intéressante sur l’eau potable » ainsi que l’affirme Frédéric Soumet.

Selon lui, les différentes méthodes sont largement plus complémentaires que concurrentes. La mesure de DBO sera préférentiellement utilisée pour les suivis en bassin d’épuration, l’ATPmétrie pour des surveillances ponctuelles, et les UV pour les mesures sur des eaux claires ou des eaux de sources, destinées à la production d’eau potable. 
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