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Demande biochimique en oxygène / DBO (HU)

De Wikigeotech

Traduction anglaise : Biochemical oxygen demand / BOD

Dernière mise à jour : 26/3/2020

Quantité d'oxygène qu'il faut fournir à un échantillon d'eau pour minéraliser, par voie biochimique (oxydation par des bactéries aérobies), les matières organiques biodégradables contenues dans l'eau.

Sommaire

Que représente la demande biologique en oxygène et quel est l'intérêt du paramètre

La Demande Biochimique en Oxygène (DBO) et la Demande Chimique en Oxygène ou DCO) sont les deux paramètres expérimentaux importants régulièrement utilisés pour caractériser la quantité de matière organique contenue dans l'eau et pour apprécier les risques induits de désoxygénation du milieu.

Il n’est en effet pas possible, dans des conditions analytiques et financières réalistes, de régulièrement inventorier toutes les substances organiques susceptibles d’être contenues dans l'eau d'un cours d’eau ou d'un effluent urbain, et d’en mesurer la concentration. La mesure de la DBO a été (avec l’oxydation au permanganate en 4 heures) l’une des premières méthodes développées dès le début du XXème siècle en Angleterre pour simuler les effets résultant des processus de biodégradation qui se produisent quand on déverse de la matière organique dans une rivière bien oxygénée. Elle ne constitue pas une mesure réelle de la quantité de matière organique ou de celle des espèces réductrices présentes. Elle représente en fait la réponse expérimentale d'un modèle de biodégradation.

La mesure de la Demande Biochimique en Oxygène d’un échantillon d’eau permet de quantifier la quantité de matières pouvant être, en milieu aérobie et en une durée durée donnée, dégradées par les micro-organismes ou oxydées (substances sous forme réduite comme les sulfures, sulfites, nitrites, ions ferreux…).

Consommation de l'oxygène et évolution de la DBO au cours du temps

Dans le cas des eaux usées urbaines d’origine domestique, la demande d’oxygène mesurée relève essentiellement de la respiration des micro-organismes qui vont dégrader la matière organique contenue dans l’échantillon, c’est-à-dire la matière biodégradable qu’il contient. La consommation en oxygène résultante évolue généralement dans le temps selon une courbe voisine de celle de la figure 1, dans laquelle on note DBOn la quantité d'oxygène consommée au bout de n jours.

Figure 1 : Consommation d'oxygène au cours du temps en l'absence de substance inhibitrice ; DBOn représente la quantité d'oxygène consommée au bout de n jours.

A 20°C, au bout de 3 semaines, l’oxydation biologique des composés carbonés d’une eau résiduaire urbaine d’origine domestique est quasiment achevée. Ce délai a permis aux bactéries nitrifiantes qui vont oxyder l’azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates de se développer malgré leur lente croissance. Au bout d’un mois et demi, la totalité des composés carbonés et azotés biodégradables ont été oxydés et assimilés par les micro-organismes. La consommation en oxygène correspondant à ces deux phases est appelée « DBO ultime ». La consommation en oxygène à 21 jours (DBO21) est appelée « DBO carbonée ».

Notion de DBO5

Il est difficile d'attendre plusieurs semaines pour connaître la quantité de matières organiques contenue dans un effluent. On a donc très vite recherché un indicateur représentatif nécessitant une durée d'analyse plus courte.

La plupart des pays on choisit la consommation en oxygène à 5 jours ; la DBO5 correspond en effet à l’oxydation de la pollution la plus rapidement biodégradable. Cette durée conventionnelle est réputée être liée à la mise au point de cette méthode d’analyse en Angleterre, et justifiée en 1912 par le fait que la plupart des déversements en rivière avaient rejoint le milieu marin avant 5 jours.

La DBO7, qui a longtemps été utilisée dans les pays scandinaves, est bien sûr légèrement supérieure à la DBO5. La norme NF EN 1899-1 mentionne un rapport DBO7 / DBO5 pour des eaux décantées compris entre 1,1 et 1,2. Pour des eaux usées domestiques non décantées, ce rapport est de l’ordre de 1,2 (+/- 3%). Sur des effluents d’origine industrielle riches en substances très rapidement biodégradables (saccharose) ce rapport est proche de 1 (de même que le rapport DCO / DBO5.

Il est à noter que la DBO5 peut ne pas être bien représentative de la pollution carbonée biodégradable, lorsque les effluents contiennent de la matière organique caractérisée par de longues chaînes complexes (graisses, hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques, cellulose, etc…).

Biodégradabilité des substances et danger pour le milieu récepteur

Il convient aussi de mentionner que, pour le commun des mortels, le caractère biodégradable d’une substance contribue à lui ôter tout pouvoir dommageable pour l’environnement. Il n’en est pas du tout ainsi. Par exemple, le rejet dans un cours d’eau de substances « naturelles » comme le sang ou le lait, peut, du fait de leur concentration extrêmement élevée en éléments très rapidement biodégradables, conduire à une désoxygénation rapide de l'eau, très dommageable pour la faune qu’il héberge. La DBO5 de ces substances est de l’ordre de 100 g O2/L pour le lait de vache et de 200 g O2/L pour le sang de bovins. La concentration maximale en oxygène des eaux naturelles qui n’est que de 11 mg O2/L à 10°C et de 8 mg O2/L à 25°C, permet de comprendre l’ampleur du danger que le rejet de telles substances présente, malgré la difficulté de les considérer a priori comme des polluants.

Protocole de mesure de la DBO

En France, le protocole de mesure de la DBO est défini dans les normes suivantes qui datent de mai 1998 :

  • NF EN 1899-1 indice T90-103-1 : Détermination de la demande biochimique en oxygène après n jours (DBOn) ; Partie 1 : méthode par dilution et ensemencement avec apport d'allyl-thio-urée,
  • NF EN 1899-2 indice T90-103-2 : Détermination de la demande biochimique en oxygène après n jours (DBOn) ; Partie 2 : méthode pour les échantillons non dilués (échantillons caractérisés par une DBO5 comprise entre 0,5 et 6 mg O2/L).

Le principe de la méthode à la base de ces normes repose sur la dilution d’un échantillon dans un volume d’eau saturée en oxygène et dépourvu de demande en oxygène, isolé dans un flacon sans relation avec l’air extérieur. La dilution opérée doit être suffisante pour qu’au terme de la période d’incubation, une quantité d’oxygène suffisante ait perduré de façon à démontrer que suffisamment d’oxygène dissous était disponible pour la respiration des microorganismes et l’oxydation de la matière organique.

L’eau de dilution est tamponnée et minéralisée pour être suffisamment riche en substances nutritives. L’incubation se fait à 20°C et à l’abri de la lumière. Si elle a lieu pendant la durée conventionnelle de 5 jours, on obtient une DBO à 5 jours, notée « DBO5 ».

La norme précise que les flacons dans lesquels a lieu l’incubation ont une capacité minimale de 100 ml, et de préférence d’au moins 250 ml.

Un ajout d’allyl-thio-urée (ATU) a pour objet d’inhiber un éventuel démarrage précoce de la nitrification qui engendrerait une consommation d’oxygène.

La norme précise que la consommation d’oxygène pendant la période d’incubation de l’échantillon dilué doit demeurer comprise entre 1/3 et 2/3 de la concentration qui y prévalait avant incubation.

La dilution opérée doit donc être adaptée au résultat pressenti. Sur des eaux usées urbaines d’origine domestique, le facteur de dilution est généralement de 50 à 100. Afin de garantir une dilution suffisante, trois flacons sont généralement constitués, sur la base de trois facteurs de dilution différents, de façon à encadrer celle supposée adéquate.

On mesure au terme de la période d’incubation grâce à une sonde spécifique la concentration d’oxygène restant, et donc par différence avec celle qui prévalait en début de période, celle consommée par l’échantillon. Cette demande biochimique en oxygène s'exprime en milligrammes d’oxygène par litre (mg O2/L). La limite de quantification de la DBO5 est de 3 mg\ O2/L.

Difficultés de la mesure et incertitude

Outre la difficulté posée par le choix d’une dilution appropriée des échantillons, les résultats de la mesure de la DBO sont exposés à une forte variabilité, notamment pour les raisons suivantes :

  • Imprécision des mesures d’oxygène dissous dans les échantillons dilués, avant et après incubation, ainsi que dans l’eau utilisée pour la dilution (dont la consommation en oxygène ne doit pas excéder 1,5 mg\ O2/L),
  • Incertitude affectant les résultats liée au nombre de mesures d’oxygène dissous à réaliser pour la détermination d’une valeur de DBO5 (4 mesures : à 0 et à 5 jours, d’une part sur le flacon contenant l’échantillon à analyser, d’autre part sur le flacon contenant le blanc, c’est-à-dire l’eau de dilution, ensemencée ou non).
  • Nécessité de respecter scrupuleusement la température d’incubation. Un écart de température de 1°C par rapport aux 20°C requis engendre un écart de plus de 4% sur la valeur de DBO5 mesurée.
  • Présence requise au bout de 5 jours de laborantins pour effectuer la mesure d’oxygène dissous restant,
  • Difficulté de garantir pour des eaux résiduaires non décantées, vis-à-vis de la concentration en MES, une bonne représentativité des différents échantillons constitués lorsque les dilutions sont poussées,
  • Possible inhibition de l’action des micro-organismes en cas de présence de substances toxiques dans l’effluent analysé (produits bactéricides, métaux lourds…),
  • Nécessité d’ensemencer l’eau de dilution si, comme le mentionne de façon bien imprécise la norme NF EN 1899-1 (§.5.3 ), « l’échantillon ne contient pas en soi suffisamment de micro-organismes adaptés ».

Il en résulte une répétabilité de la mesure atteignant fréquemment une limite de 15 à 20%. Les mesures de DBO5 doivent donc être exécutées par des techniciens compétents. Il est admis que les erreurs qui affectent la mesure de la DBO5 par la méthode des dilutions tendent à minimiser les résultats.

Mesures respirométriques

Pour limiter, voire éviter, les difficiles opérations de dilution, des méthodes dites respirométriques ont été mises au point.

Ces méthodes consistent à remplir partiellement un flacon avec l’échantillon à analyser et l’eau nécessaire à sa dilution et à préserver au-dessus du liquide, une quantité d’air définie. Des méthodes respirométriques complexes qui permettent grâce à un renouvellement d’air continu, un apport en oxygène pendant toute l’incubation ont été mises au point, d’où la possibilité de travailler sur des échantillons peu ou pas dilués. Cependant, la complexité du matériel à mettre en œuvre, notamment pour quantifier l’oxygène ainsi apporté, en a limité l’utilisation.

Si cet air n’est pas renouvelé, ce qui est le cas dans les matériels aujourd’hui commercialisés, seul l’oxygène contenu dans l’atmosphère du flacon est appelé à compenser l’oxygène dissous de l’échantillon liquide consommé par la biodégradation de la matière organique qu’il contient. La consommation d’oxygène par les microorganismes contenus dans l’échantillon analysé et le piégeage par une solution basique de potasse (KOH) du gaz carbonique qu’ils émettent, génèrent une dépression dans l’atmosphère du flacon. La mesure de cette dépression dont la valeur est directement liée à la quantité d’oxygène mobilisée par les micro-organismes pour l’oxydation des composés biodégradables permet d’évaluer cette quantité d’oxygène consommé.

L’un des avantages de cette méthode est la facilité avec laquelle on peut mesurer et suivre l’évolution de la DBO au cours du temps en lisant et enregistrant régulièrement l’évolution de la dépression dans l’atmosphère du flacon. Cependant, l’impact de la diminution d’oxygène disponible dans le système fermé sur lequel sont basées ces méthodes nécessite, comme pour les méthodes par dilution, une appréciation préalable assez fine des besoins potentiels en oxygène pour déterminer la dilution requise et garantir qu’une quantité suffisante puisse se dissoudre dans le milieu liquide.

Limites de l'utilisation de la DBO

Ces méthodes de détermination de la DBO5, par dilution ou respirométriques, se caractérisent toutes les deux par une durée d’analyse qui est au minimum de 5 jours. Il n’existe pas actuellement d’appareils permettant une mesure en continu de la DBO5. Le paramètre DBO5 ne se prête donc pas à une optimisation fine du fonctionnement et des performances d’une station d’épuration, sur laquelle les charges admises peuvent brutalement varier, soit à cause de l’admission de rejets industriels, soit à cause de surcharges liées au temps de pluie, soit tout simplement à cause de la variation des charges admises tout au long de la journée. L’adaptation de l’exploitation se fait alors soit à partir du suivi de la qualité de l’effluent admis observée à partir de paramètres rapides à analyser (DCO, MES, NtK), soit par un asservissement de l’aération de la boue activée à un suivi de l’évolution de l’oxygène dissous ou du potentiel redox dans la liqueur mixte. Quand les temps de séjour de l’effluent dans les réacteurs biologiques sont faibles (procédés de biofiltration), leur aération est soit asservie à la concentration en oxygène dissous mesurée dans l’effluent traité, soit simplement pilotée par horloge, car la mesure de l’évolution horaire de la charge carbonée biodégradable admise sur une telle filière apparaît bien difficile.

Malgré le développement très récent de techniques qui permettent avec une assez bonne précision de déterminer un « équivalent-DBO5 » en 48 heures, l’usage de la DBO5 en matière d’épuration se limite donc essentiellement à des tâches de dimensionnement ou de suivi réglementaire du fonctionnement des ouvrages.

Mais nécessité de conserver ce paramètre

L’estimation de la DBO5 des eaux résiduaires est une donnée fondamentale dont il faut disposer pour le dimensionnement de la plupart des stations d’épuration, car seuls des procédés biologiques (cultures libres, cultures fixées) permettent une élimination poussée de la pollution dissoute que les effluents à épurer contiennent. En effet, la charge de DBO5 contenue dans ces effluents représente la part biodégradable de la pollution qui va pouvoir être éliminée grâce à la biomasse contenue dans ces filières épuratoires biologiques. Ainsi, les critères de dimensionnement de ces filières que sont les charges massiques ou volumiques s’appuient sur les charges de DBO5 à admettre sur les étages de traitement biologique.

L’importance de la DBO5 est aussi confirmée par la notion d’Equivalent-Habitant qui se base sur ce paramètre, puisque 1 EH équivaut à une charge journalière moyenne émise par un système d’assainissement en semaine de pointe annuelle, égale à 60 g DBO5/j.

On perçoit donc malgré les difficultés à mesurer de façon précise la DBO5 d’une eau résiduaire, la nécessité d’apprécier correctement ce paramètre.

Rapport DCO/DBO5

Il convient, pour que puisse être vérifiée la représentativité des résultats d’analyse d’eaux résiduaires d’origine domestique portant sur la DBO5, de rappeler quelques ordres de grandeur vérifiés depuis plusieurs décennies. Pour des eaux usées d’origine domestique, le rapport DCO/DBO5 représentatif d’un échantillon moyen journalier, est compris entre 2 et 2,4 et le rapport DBO5/NtK est supérieur ou égal à 4. Le rapport MES/ DBO5 est généralement voisin de 1.

Des rapports DCO/DBO5 supérieurs à ces valeurs et assez (de plus en plus ?) fréquemment observés, ne peuvent s’expliquer que par les raisons suivantes :

  • Prélèvement mal effectué aboutissant à la constitution d’échantillons non représentatifs,
  • Présence d’effluents peu biodégradables tels qu’effluents d’origine industrielle, ou présence significative d’eaux de ruissellement urbain liées par exemple à la présence de réseaux unitaires (les valeurs des rapports DCO/DBO5 et MES/DBO5 sont alors significativement augmentés).
  • Erreur d’analyse, ou méthode analytique inadaptée, ou protocole analytique non respecté si le constat porte sur un grand nombre d’échantillons prélevés par temps sec. La plupart des erreurs qui affectent la mesure de la DBO5 par la méthode des dilutions tendent en effet à minimiser les résultats.

Évolution de la DBO5 dans les réseaux

Les réflexions ayant porté sur une possible diminution significative de la DBO5 dans des systèmes de collecte caractérisés par des temps de transfert importants, et qui serait soit liée à une oxydation ayant lieu au contact des effluents avec l’atmosphère des égouts, soit à un phénomène de dégradation anaérobie lié à leur stagnation dans les réseaux, n’accréditent pas ces explications.

La décantation des MES dans les réseaux de collecte présentant de très faibles pentes est aussi quelquefois évoquée pour justifier pour l’effluent parvenant à la station d’épuration un rapport DCO/DBO5 élevé. L’examen de l’évolution de ce rapport entre un effluent non décanté et un effluent décanté tel qu’on peut l’observer à l’aval d’une décantation primaire (non physico-chimique) permet de réfuter cette hypothèse. Par contre, les rapports DCO/NtK et DBO5/NtK s’en trouvent tous les deux logiquement nettement affectés, à la baisse.

La répétabilité de la mesure de la DBO5 étant médiocre, des valeurs plus faibles que celles correspondant réellement à la qualité de l’échantillon analysé peuvent logiquement survenir. Cependant, dans tous les cas, il convient d’écarter celles qui sont nettement inférieures à 2, car même pour les substances les plus biodégradables (méthanol, glucose), et qui ne sont présentes qu’en faibles quantités dans un effluent d’origine domestique, le rapport DCO/DBO5 n’est que légèrement inférieur à 1,5.

Il convient aussi de mentionner que la répétabilité insuffisante de cette détermination ne justifie pas, sur un très grand nombre de résultats d’analyses, que leur moyenne soit aussi souvent nettement supérieure à 2,5. En effet, il ne semble pas y avoir de justification pour que le nombre de résultats affectés par une erreur majorante soit systématiquement très supérieur au nombre de résultats affectés par une erreur minorante…

DBO5 et qualité des milieux aquatiques

La DBO5 est enfin l’un des paramètres physico-chimiques figurant dans la grille d’évaluation de l’état écologique des eaux douces de surface présentée en annexe 3 de l’arrêté du 25 janvier 2010. Ces eaux sont considérées en très bon état physico-chimique si 90% des échantillons prélevés se caractérisent par une DBO5 inférieure à 3 mg O2/L, et en bon état en deçà de 6 mg O2/L. Ces deux critères appliqués aux eaux douces de surface s’avèrent aujourd’hui souvent peu discriminants, le non-respect du bon état se jugeant fréquemment au regard d’autres paramètres. Vis-à-vis de la pollution de ces eaux par les paramètres carbonés, la DBO5 comme la DCO, sont assez peu pertinents car trop imprécis au regard des polluants organiques carbonés susceptibles d’affecter la qualité d’une eau. En dehors de milieux très pollués, les paramètres comme le COT ou le COD apportent davantage de renseignements quant à la qualité réelle d’une eau de surface au regard d’éventuelle sources de pollution carbonée.

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