Turbidité : une mesure en développement

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Réalisé par , Technoscope

À l'exception des boissons anisées, on n’aime pas la turbidité. À juste raison, le trouble dans l’eau est synonyme de danger : les particules créant la turbidité sont soit directement dangereuses, soit le support de substances dangereuses ou d’organismes pathogènes. Une augmentation de la turbidité avait été observée lors des épisodes graves comme à Milwaukee aux États-Unis en 1993 (cryptosporidium, plus de 100 morts) ; des études françaises et internationales ont montré une corrélation entre l’accroissement de turbidité et les consultations pour gastro-entérites. Ce paramètre est donc essentiel à mesurer pour des raisons de santé publique.

En distribution des eaux destinées à la consommation humaine (annexe 1.1 de l'arrêté du 11 janvier 2007), la turbidité est une limite de qualité qui doit être inférieure à 1,0 NFU nephelometric formazine unit (voir encadré unités). Au niveau de la ressource pour la production d'eau de consommation, les particules sont aussi indésirables mais le paramètre utilisé est la matière en suspension (MES, inférieure à 25 mg/L) obtenue par pesée. Il y a donc d’un côté une mesure pondérale (matière en suspension exprimée en mg/L) et de l’autre une unité optique englobant tout ce qui peut modifier la lumière à son passage dans l'eau. On ne peut pas corréler dans l’absolu une mesure MES à un indice NFU ; mais sur un type d'eau particulier de com-

Position constante, on peut faire une telle corrélation qui ne sera qu’indicative.

D’un point de vue traitement des eaux, tout doit être fait pour éviter de faire entrer de l’eau trop chargée en matières en suspension de toutes natures dans une usine de production d’eau potable, d’où l’intérêt de disposer d'un appareil de quantification de la turbidité ; c’est particulièrement le cas dans les zones karstiques où, dans certains régimes de précipitations, les eaux peuvent se troubler très rapidement. Le turbidimètre jouera alors un rôle d’alerte. Même préoccupation vis-à-vis d’un procédé de filtration : en surveillant la turbidité en continu, on détectera au plus vite un “percage” de filtre, pour arrêter une installation. Application comparable vis-à-vis des procédés membranaires en fort développement (osmose inverse, nano et microfiltration) où l’intégrité des membranes est surveillée en mesurant la turbidité.

Cette fonction d’alerte se retrouve au niveau des stations d’épuration : la turbidimétrie est utilisée en entrée pour éviter de charger inutilement l’installation lors d’épisodes d’orage apportant soudainement beaucoup de matières en suspension. La turbidité devient un paramètre déclenchant la dérivation du flux entrant. En sortie de station d’épuration, surtout si le milieu est sensible, il pourra être utile de surveiller la turbidité qui reflétera le rejet en matières en suspension. Toujours en station d’épuration, mais le cas peut se retrouver ailleurs en chimie par exemple, la turbidité peut être utilisée pour mener un procédé : par exemple une étape de floculation (précipitation) pour réguler l’apport d'un réactif et ainsi contrôler au plus près les ajouts pour réaliser des économies de réactifs. La turbidité peut aider à maîtriser une opération de rinçage par exemple dans l’industrie laitière : le turbidimètre indiquera la fin d’un rinçage et conduira à des économies d’eau. Autre secteur très demandeur vis-à-vis de la turbidité, la production de bière, à tel point que les brasseurs ont développé leur propre unité (cf. encadré unités). Alors qu’en fabrication artisanale, une certaine turbidité peut être recherchée, la fabrication industrielle préfère la limpidité de ses productions et toute turbidité représente une perte de matière (levures). La bière est colorée, les appareils doivent pouvoir produire des résultats qui ne sont pas altérés par la coloration. Pour ce type d’applications, Hanna Instruments propose le HI 93124, un turbidimètre portatif capable de déterminer rapidement et exactement le trouble protéique et la brillance de la bière.

La brillance étant généralement contrôlée à la fin de la fermentation, dans les cuves de garde à une température de 0 °C, l’appareil est livré accompagné d’un thermomètre de précision Checktemp®.

Attention aux interférences

La turbidité résulte des fines particules en suspension. Pour certains besoins particuliers, on souhaite déterminer les particules en nombre et en tailles avec une évaluation des classes de tailles de particules, sujet non traité dans cet article.

La mesure de turbidité est une mesure optique, sujette à des interférences, donc une altération de la valeur réelle de la turbidité. Parmi elles : la présence de fines bulles, assimilables à des particules, due à un dégazage (changements de température, de pH, de pression…) ; la réflectivité de certaines particules (surtout en milieu industriel) peut aussi…

Perturber la mesure ; autre interférence, non liée au liquide : la lumière parasite provenant de réflexions sur les parois de l’appareil, d'où l'importance de sa conception et de sa construction ; pour les mesures en plein air, il faut veiller à l'orientation de l'appareil (pare-soleil).

Lorsque le liquide mesuré est coloré, voire très foncé, on mesure en parallèle de la turbidité (présence de particules) l’absorption due à la couleur (absorption de certaines longueurs d’ondes) avec correction éventuelle de l'une par l'autre.

Autre cause d’altération de la mesure, la salissure qui peut se déposer sur des surfaces optiques devant la source lumineuse et devant l’analyseur.

Tout ceci conduit à une offre d’appareils variés adaptés à l’usage (eau potable, eaux chargées, fluides divers) et aux conditions d’exploitation. Ils sont tous constitués d'une source lumineuse et d'une cellule de mesure qui fournira un signal électrique repris par un transmetteur. En néphélométrie stricte, la norme ISO 7027 impose la longueur d’onde utilisée : 860 nm (proche infrarouge) ; la quasi-totalité des appareils utilisent des LED (diodes électroluminescentes) qui ont l'avantage d'une grande durée de vie et pas de dérive au cours du temps, comme les lampes à filament de tungstène.

La norme impose aussi l'angle d’observation de la lumière : 90°, un compromis vis-à-vis de tous les angles de diffusion possibles. Entre la source et la cellule de mesure, le liquide et les interfaces entre ce liquide, la source et la cellule de mesure.

Mesure avec ou sans contact

D'où deux écoles : la mesure sans contact (dite aussi en milieu ouvert) et la mesure en immersion ou en cellule avec paroi de verre (ou autre matériau transparent comme le saphir) souvent équipée de dispositif de nettoyage. Sigrist (représenté par Siemens) et Swan, deux sociétés suisses, sont les seules à proposer la mesure en milieu ouvert : le faisceau lumineux est envoyé dans le liquide et la cellule de mesure placée à proximité récupère la lumière diffuse selon un angle de 90°.

L’appareil SST sc sans contact de Hach-Lange est plutôt destiné aux procédés industriels et aux liquides difficiles, corrosifs, eaux usées, etc. « Le WTM 500 est le nec plus ultra des turbidimètres et fournit une mesure très précise de la turbidité. Depuis quelques années il est décliné en deux produits : Aquascat WTM avec une résolution de 0,001 FNU et Aquascat HT pour… »

Ultraturb sc et Ultraturb plus sc de Hach-Lange, conformes à la norme EN ISO 7027, sont identiques dans leur conception à l'exception de la chambre de mesure du turbidimètre Ultraturb plus sc, dotée d’un dispositif de nettoyage par essuie-glace, ce qui empêche tout encrassement et garantit des mesures stables y compris pour les basses valeurs.

Une haute turbidité avec une résolution de 0,1 FNU, vu la turbidité, et un coût moindre. Mais les deux ont une gamme de mesure.

0 à 4000 FNU et utilisent une colonne d'eau libre descendante, dérivée du flux principal avec un débit de 2,5 à 7 l/min. La source lumineuse est une LED » explique Christophe Barbier, responsable produits chez Siemens Instrumentation. La gamme de mesure est scindée en huit échelles configurables au choix pour la facilité de lecture. L’appareil se fixe sur une paroi, la température d’eau acceptée est de 0 à 40 °C.

Swan a une autre géométrie de mesure : « Le fluide arrive par le bas dans une cuve à débordement qui présente donc une surface libre stable. Le faisceau lumineux est émis avec un angle de 45° par rapport à la surface liquide, idem pour la cellule de mesure (mesure à 90°). L’ensemble est capoté (pas de lumière parasite), l’intérieur maintenu à 45 °C pour éviter les condensations. La plage de mesure de l’AMI Turbiwell est de 0,000 à 200,0 FNU/NTU ± 0,001 FNU ou ± 1 % avec commutation automatique des plages de mesure » explique Guillaume Schneider, responsable produit. Bien que les LED soient stables, leur stabilité est contrôlée. La consommation d’eau est moindre : 20 à 60 l/h.

Les deux constructeurs proposent en option des dispositifs dégazeurs pour éviter la perturbation des bulles (environ 1 appareil sur 10 vendu d’après Guillaume Schneider) et la possibilité d’un étalonnage avec un bloc solide placé en lieu du liquide, ce qui évite la manipulation délicate de la formazine ; sur l’AquaScat WTM de Sigrist, une option de calibration automatique évite l’intervention d'un opérateur. Les appareils des deux constructeurs sont calibrés en usine.

Unités : revue de détail

Dans le domaine de l'eau la norme NF EN ISO 7027 correspond à deux unités de mesure de la turbidité utilisant la formazine comme étalon : FNU (Formazine Néphélométric Unit), ou NFU utilisé dans le décret n° 2001-1220 du 20 décembre 2001. Cette unité mesure la turbidité sous un angle de 90° (un compromis entre toutes les directions de diffusion) à une longueur d’onde de 860 nm. FAU (Formazine Attenuation Unit) mesure la lumière transmise (180°) à une longueur d'onde de 860 nm. L’unité de turbidité prescrite par l'Environmental Protection Agency (EPA — USA) est le NTU (Nephelometric Turbidity Unit). La mesure s'effectue aussi sur la lumière diffusée à 90°, mais en lumière blanche (lampe tungstène). Les canadiens francophones ont traduit en UNT. On rencontre d'autres sigles, FTU pour formazine turbidity unit pour des angles différents de 90°. Hors unité relative à la formazine et pour ce qui est des matières en suspension on rencontre sur les appareils des échelles graduées en g/l faisant référence à la silice. D'une manière générale, dans un procédé avec un fluide connu, une mesure de turbidité peut être mise en correspondance avec une concentration par l’intermédiaire d’une courbe d’étalonnage. Celle-ci est intégrable dans l'électronique des têtes de capteur. Les brasseurs parlent en ASBC (American Society of Brewing Chemists) pour l'Amérique du Nord ou en EBC (European Brewery Convention) en Europe. Globalement on reconnaît l’équivalence entre NFU, FAU, NTU, FTU pour les valeurs basses. Par contre 1 NFU = 0,25 EBC = 17,5 ASBC (d’après Wikipedia et Techniques de l'Ingénieur fascicule R 2355 Claude Pelletier).

Les deux constructeurs insistent sur l’absence de consommables et la maintenance quasi nulle. Leur coût est de l’ordre de 4 à 6 k selon les versions et options.

Ces appareils ne conviennent pas dans un cas : la mesure d'un fluide sous pression, fréquemment rencontrée dans le domaine industriel. On est alors obligé d’avoir des fenêtres transparentes et potentiellement encrassées au fil du

Un marché dynamique

Le marché est dynamisé par l'accroissement des exigences réglementaires, notamment la baisse du niveau de turbidité de l'eau potable distribuée partout en Europe, le souci d'optimiser les procédés (moindre consommation de réactifs), la traçabilité de l'exploitation, le développement de la réutilisation d'eau usée... et bien sûr l'amélioration des appareils de mesure. Jean-Pierre Molinier de Hach-Lange parle de croissance à deux chiffres sur ce paramètre (près de 25 %), Guillaume Schneider de Swan parle d'un doublement en deux ans et d'une forte demande de consultations. Mais il n'est pas facile d'évaluer le marché total en France d'après Christophe Barbier de Siemens, chaque société ayant un peu son pré carré (plusieurs centaines d'appareils par an tout de même). Marché dynamique visiblement mais avec un facteur défavorable pour les constructeurs : les turbidimètres sont des appareils fiables et robustes, simples, donc d’une grande durée de vie (parfois 20 ans et plus). De fortes hausses des ventes peuvent correspondre à un renouvellement global d'instrumentation à un moment donné. Reste que le besoin de mesure s'accroît, ce qui soutiendra le marché.

Siemens propose l'AquaScat P avec une étendue de mesure de 0 à 100 FNU et une précision de 0,001 FNU sur des fluides jusqu’à 6 bar.

En construction avec contact, Hach-Lange propose l'Ultraturb pour les mesures en ligne (jusqu’à 6 bar), utilisant des LED infrarouges avec une étendue de mesure de 0,0001 à 1000 FNU et une reproductibilité de ± 0,003 FNU ou ± 0,5 % (> 2 FNU).

La compensation des bulles d’air s'effectue de manière physique et mathématique. L’appareil existe en deux modèles Ultraturb “sc” et “plus sc”, ce dernier utilisant un balai essuie-glace pour combattre l’encrassement (fenêtre quartz et balai silicone). Les données sont relayées par les transmetteurs SC 100 ou 1000. L’appareil est destiné au contrôle de la ressource en eau potable et des eaux potables y compris à des valeurs aussi faibles que 0,1 FNU ; il a été évalué par l'IWW, institut allemand spécialisé dans l'eau. Le nettoyage par balayage est utilisé aussi par Endress+Hauser dans ses appareils Turbimax CUS 31 (fenêtre saphir).

D'autres systèmes de nettoyage de fenêtre existent, particulièrement utiles lorsqu’il s’agit de mesures de turbidité dans des milieux chargés comme les boues activées ou, plus généralement, de liquides chargés de boues. WTW, sur ses sondes VisoTurb 700 IQ (gamme 0 à 4000 FNU) et ViSolid (0 à 300 g/L SiO₂), utilise le nettoyage par ultrasons sur ses fenêtres en saphir. La source ultrason est intégrée à la tête de mesure. Ces deux sondes utilisent une LED infrarouge et la mesure à 90° et travaillent jusqu’à 10 bar. L'ultrason est aussi présent sur le Turbimax CUE21 d'Endress+Hauser.

SERES environnement propose de son côté deux types de turbidimètres qui permettent de répondre aux besoins de contrôles pour toute une gamme d'applications et plages de mesure. Pour les eaux potables et de surface, le Turbilight est adapté à la mesure en ligne des faibles charges : la prise d’échantillon et la mesure s’effectuent dans une cuve sous pression ; les interférences d’éventuelles bulles d’air sont éliminées et de plus un

Le nettoyage automatique de la cuve par piston racleur assure une excellente qualité de mesure. Pour le contrôle des fortes charges (entrées et sorties de stations d’épuration, rejets bruts industriels...), le choix de l'utilisateur se portera sur le Turbisonde qui allie sonde immergée et boîtier électronique. SERES fut le premier fabricant à équiper sa sonde d'un nettoyage automatique par ultrasons qui s’est toujours avéré particulièrement performant, même dans des conditions extrêmes.

Aquacontrol, sur ses sondes TU 810 et TU 812 (0 à 4000 NTU en 4 gammes), utilise le nettoyage par air comprimé. « L'air comprimé est injecté à haute vitesse sur la cellule, il crée un vortex qui provoque la cavitation et c'est ce mécanisme qui nettoie la surface de la cellule. De plus un autodiagnostic électronique (vérification du rapport signal/bruit) permet de détecter un signal “pollué”, ce qui déclenche d’abord un nettoyage puis une alerte indiquant une sonde défectueuse », indique Christophe Davesne, qui insiste sur la nécessité du bon positionnement de la sonde en milieu naturel afin d’éviter les lumières parasites. Anael, sur ses capteurs, utilise des jets d’air ou d'eau pour le nettoyage des fenêtres.

S’affranchir des colorations

Certaines sondes sont polyvalentes et sont utilisées dans des milieux difficiles et colorés. Pour mesurer et s'affranchir de colorations, d’effets de tailles de particules, on trouve des sondes qui travaillent à différents angles, 90° mais aussi 12° ou 25°, et utilisent différentes longueurs d’onde. Ainsi Anael propose le MoniTurb en modèles S, F et FS couplé au transmetteur Messenger : selon l’angle de diffusion (12° et/ou 90°), plusieurs mesures sont réalisables avec parfois discrimination de tailles de particules. ProanaTec commercialise le Solisense avec deux émetteurs et quatre récepteurs à différents angles (lumière transmise, réfléchie, diffusée) pour des mesures depuis des valeurs basses jusqu’à des milieux concentrés, 0 à 4000 NTU ou 0 à 65 g/L, montable sur tuyauterie ou immergeable. Le Solitax sc de Hach-Lange est utilisé pour les mesures de turbidité/MES avec des versions immersion ou insertion, indépendamment de la couleur. Sa plage de mesure va de 0,001 FNU à 150 g/L ; il utilise des corrections en substitution aux étalonnages et dispose d’un essuie-glace automatique.

Lorsque le milieu est vraiment trop sombre, il est possible de changer de principe de mesure et d’utiliser les ultrasons, mais on quitte la turbidimétrie pour

Ce turbidimètre est à lumière LED infrarouge 890 nm selon les normes DIN EN 27027 et ISO 7027 de la partie mesure 98703, HI 98713 et HI 93414 de Hanna Instruments dont les données sont transmises par module USB ; le HD25.2 de DeltaOhm (turbidimètre de paillasse) etc.

de la mesure de matières en suspension. On parle alors de mesure acoustique : c'est le cas de l'appareil AS3-AT3 (ensemble capteur transmetteur) qui mesure dans un intervalle de 0 à 30 000 mg/L, en canal ouvert ou en canalisation sous pression jusqu’à 30 bar. La sonde émet un signal ultrasonore, qui se réfléchit sur les particules au point de focalisation et revient dans la tête de mesure. La mesure est réalisée en 50 μs ce qui permet de s’affranchir du débit liquide. NeoSens distribue toujours les sondes Cosmos 25 (0,001 à 49 999 NTU et MES jusqu’à 400 g/L avec mesure multi-angle sur 4 canaux pour compenser l'effet des bulles d’air et autres parasites) et TML 25 de Züllig qui mesure sur une gamme de 0 à 4 000 NTU. Les fenêtres des têtes sont en saphir inrayable et disposent en option d'un balai d’essuyage.

Toujours pour les milieux difficiles et notamment en agroalimentaire, chimie et pharmacie, Anael propose la série MoniSpec A, AD et AT associée à l’électronique de gestion Messenger pour la surveillance des procédés de fermentation et de filtration. La mesure est réalisée en mono, bi ou tri-longueur d’onde, selon la difficulté du milieu.

De son côté, Sigrist (Siemens) propose le Turbiscat pour la surveillance de procédés de filtration, centrifugation. Il dispose de deux LED (650 nm pour la turbidité et angles de 90 et 25° ; 430 nm pour la couleur) ; gammes de mesure de 0 à 1 000 EBC ou 0 à 4 000 NTU et 0 à 50 EBC pour la couleur. Il est montable sur canalisation et dispose d’un système à broche rapide pour déconnecter la partie électronique.

Turbimax CUS51D d'Endress+Hauser réalise des mesures à 90 et 135° ainsi qu’en lumière pulsée à 4 faisceaux ; il est particulièrement dédié au traitement d’eaux usées (bassin d’aération, traitement des boues), tout comme le Turbimax CUS41 qui travaille à 90° et à 135° et sur une gamme de 0,01 FNU à 300 g/L. À l’inverse, pour les eaux très pures, Hach-Lange a développé le Filtertrak 660 sc utilisant une diode laser à 660 nm, avec un faisceau fortement collimaté. L'appareil indique des milli-NTU.

Pour des mesures ponctuelles sur le terrain il existe aussi des turbidimètres portatifs, proposés par Hanna Instruments, Ponsel, Aqualyse, Cometec, Mesureo ou Cifec : le prélèvement est versé dans une cellule de mesure insérée dans l’appareil. Par exemple les 2100Q et 2100Q IS de Hach-Lange ou encore les HI