La norme européenne EN 1899:1998 pour la détermination de la Demande Biochimique en Oxygène après n jours (DBO₅) spécifie l’incubation des échantillons en flacons bouchés à l’obscurité et à température contrôlée pendant 120 heures, mais n’impose aucune contrainte ni pour le bouchage et le débouchage des flacons pendant le cycle de mesure, ni pour le volume des flacons utilisés.
Lorsque le protocole DBO est mis en œuvre manuellement, l’opérateur débouche habituellement le flacon juste avant la mesure de l’oxygène dissous, puis le rebouche immédiatement après, afin d’éviter une éventuelle reprise d’oxygène par l’échantillon.
Dans le cadre de l’automatisation complète du protocole DBO, pour des séries d’échantillons, la stricte simulation du protocole manuel entraîne la manipulation des flacons et des bouchons par un robot. Une instrumentation volumineuse et onéreuse est alors requise, peu adaptée à la diversité des flacons utilisés dans les laboratoires.
Une solution plus souple et plus légère du point de vue instrumental consiste à effectuer les mesures initiales et finales de
concentration en oxygène dissous sur des séries d’échantillons débouchés simultanément avant la série de mesures, puis rebouchés simultanément à la fin de la série de mesures. De cette façon, le recours à un robot manipulateur est inutile. Cette étude a donc pour objectif :
- d’évaluer le biais éventuel introduit par l'exposition des échantillons à l'air ambiant pendant la durée d'une série de mesures initiales et finales pour la détermination de la DBO₅ ;
- d'évaluer l'influence des caractéristiques du flacon utilisé sur la mesure de la DBO₅.
Matériel utilisé et conditions opératoires
Instrumentation
L'instrument utilisé, spécifiquement conçu pour la détermination de la DBO₅, est l’automate BOD Magic de Labtronics Inc., développé autour d'un automate préparateur d’échantillons Gilson 222XL à déplacement 3 axes, et piloté par le logiciel BOD Magic version 2.0 pour Windows 95.
Flacons
Pour cette étude, différents types de flacon ont été testés :
- flacons DBO 300 ml Wheaton type Winckler à débordement, col rodé normalisé 19/32, mesures réalisées par séries de 24 flacons
- flacons DBO 300 ml WIW modèle KF 12 à débordement, col rodé normalisé 19/32, mesures réalisées par séries de 20 flacons
- flacon type « chimie » 100 ml Schott, col rodé normalisé 29/22, mesures réalisées par séries de 28 flacons
Échantillons
De l'eau de conduite saturée en air et de l'eau de conduite dégazée sous hélium sont mélangées en diverses proportions, de façon à couvrir la gamme de concentrations en oxygène dissous comprise entre 1 et 6 mg/l. Les flacons sont remplis par siphonnage, puis immédiatement bouchés, suivant les recommandations spécifiées dans la norme EN 1899:1998. Ils sont ensuite stockés environ 1 heure à 20 ± 0,5 °C, de façon à ce que la température soit stabilisée et la composition de l’échantillon homogène.
Mesures
L’oxymètre utilisé est le modèle YSI 5100 de Yellow Springs Inc., équipé d'une sonde YSI 5905 à capteur thermique et agitation incorporés. Le calibrage est automatique (méthode : air saturé en eau), de même que la compensation de la pression atmosphérique.
Les flacons sont placés sur le portoir de l’automate, puis débouchés en même temps. L’exécution du programme de mesure est démarrée immédiatement. Les mesures sont réalisées pour un enchaînement continu de plusieurs cycles de travail complets de l’automate (soit une mesure par échantillon et par cycle). Le paramétrage de la mesure est le suivant :
- stabilisation du signal : 20 secondes
- validation de la mesure : variance maximum 0,05 mg/l
Dans ces conditions, la réalisation d'un cycle complet de mesures est effectuée en 20 à 30 minutes, selon le nombre de flacons disponibles sur l'espace de travail de l’automate (20 à 28 selon la taille), et selon le nombre de rinçages intermédiaires.
Résultats
Cinq séries de quatre cycles de mesures consécutifs de 24 minutes ont été réalisées, de façon à évaluer la reprise de l’échantillon en oxygène sur une durée de 96 minutes. En particulier, les mesures au terme du premier cycle de 24 minutes permettent d’évaluer l'erreur maximale due à la reprise d’oxygène dans les conditions opératoires réelles de la mesure de la concentration finale en oxygène dissous pour la détermination de la DBO₅.
Pour les deux types de flacon de 300 ml, l'erreur par excès varie naturellement suivant la concentration initiale en oxygène dissous. Elle n'est pas quantifiable pour les concentrations initiales supérieures à 6 mg/l ; elle est plus importante aux faibles concentrations initiales de l’ordre du mg/l. Dans tous les cas, sur toute l’étendue de la gamme 1-8 mg/l, elle est inférieure en valeur absolue à 0,07 mg/l et inférieure en valeur relative à 5 %.
Si la gamme de mesure est limitée à l’intervalle 2,8-5,6 mg/l, l'erreur par excès sur la mesure de l’oxygène dissous en flacon de 300 ml est inférieure en valeur absolue à 0,05 mg/l et en valeur relative à 2 %.
En revanche, la variation de la mesure au bout de 30 minutes est trois à quatre fois plus importante dans les flacons de 100 ml. Elle est de l'ordre de 0,25 mg/l pour une concentration initiale de 1,55 mg/l (Δ = 0,07 pour le flacon Wheaton 300 ml dans
[Photo : Figure 1 – Cinétique de redistribution d’oxygène]
[Photo : Automate BOD Magic]
les mêmes conditions), et de 0,18 mg/l pour une concentration initiale de 5,25 mg/l (Δ = 0,04 pour le flacon Wheaton).
La contenance faible et le diamètre important du col favorisent la reprise en oxygène : l'usage des flacons type chimie 60 ou 100 ml n'est donc pas recommandable en l'absence d'un facteur correctif dans la formule de calcul de la DBO₅.
Conclusion
Le biais introduit par l'absence de bouchage des flacons pendant la mesure d'une série d'échantillons est notablement inférieur à la variabilité admise pour la méthode DBO₅, tant que la durée du cycle de mesure n'excède pas une heure, et à condition d'utiliser des flacons de 300 ml à débordement.
Sur cette base, l'automatisation des étapes essentielles de la détermination de la DBO₅ (apport de diluant, mesure de l'oxygène dissous, rinçages) est aisément réalisable au moyen d'un automate de laboratoire, dont le bras 3 axes assure le transfert des liquides et le déplacement de la sonde à oxygène.
Les fonctions de validation des mesures, d'identification positive des séries d'échantillons, des calculs et de la validation des calculs sont confiées au logiciel d'exploitation.
Dans ces conditions, la productivité atteint 50 à 60 flacons par heure et par système, pour un encombrement particulièrement réduit.
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