Génie chimique, Génie des procédés, Option bio-procédés

Demande Biologique en Oxygène






Objectif

On veut ici déterminer la demande biologique en oxygène sur 5 jours (DBO₅) de l'eau de l'Isle.

Cette grandeur correspond à la consommation de dioxygène sur 5 jours dans un échantillon d'eau gardé à l'abri de l'air et de la lumière. Elle est due à la présence d'organismes vivants.

On utilise l'oxymétrie.





Généralités

Le dioxygène a une position centrale dans l'écosystème. Lorsque le dioxygène se raréfie, les conditions de vie deviennent défavorables pour beaucoup d'animaux.

La pollution organique fait baisser le taux de dioxygène des rivières. On constate alors une élimination rapide des espèces qui en dépendent (larves d'éphémères, truites...), puis un appauvrissement progressif de la faune et de la flore pour aboutir à un écosystème composé uniquement d'espèces tolérant une petite teneur en dioxygène.

La consommation du dioxygène dépend des êtres vivants (poissons, bactéries actives...) présents dans la rivière tandis que sa production par photosynthèse dépend de la luminosité arrivant sur les algues ou plantes vertes, donc de l'exposition au soleil et de la turbidité de l'eau.

La quantité de dioxygène échangée avec l'atmosphère dépend de la température, de la surface d'eau en contact avec l'air par rapport au volume de la rivière et de la turbulence du courant.

L'oxymétrie permet de déterminer la concentration d'une eau en dioxygène. En mesurant la concentration massique en dioxygène subsistant après cinq jours dans un échantillon (gardé en flacon fermé et à l'obscurité) et par différence avec la concentration massique au moment du prélèvement, on détermine la demande biologique en oxygène sur cinq jours DBO₅. Celle-ci est en relation avec la quantité de bactéries, d'êtres unicellulaires et de matières organiques présents dans l'eau.





Protocole expérimental

On utilise une sonde oxymétrique Orphy et on dispose d'un module oxymétrique OrphyGTS qui permet de suivre les mesures sur un ordinateur. Le logiciel utilisé est Visual Orphy.

La sonde doit être étalonnée. Pour cela, il y a deux méthodes différentes qui ont donné lieu à deux manipulations.



ETALONNAGE AVEC UNE SEULE SOLUTION :

Cette expérience est effectuée en laboratoire.

La solubilité du dioxygène dans l'eau varie en fonction de la température.

On connaît la solubilité du dioxygène dans l'eau distillée en fonction de la température :

Température (°C)	Solubilité (mg/L)
0	14,16
10	10,92
15	9,76
20	8,84
25	8,11
30	7,52
35	7,02

On obtient ainsi la courbe étalon suivante :



Dans un bécher on introduit de l'eau distillée que l'on agite vigoureusement à l'aide d'un agitateur magnétique pour qu'elle se sature en dioxygène par l'intermédiaire du vortex formé.

Puis on y introduit la sonde oxymétrique ainsi qu'un thermomètre. La température relevée est de 24,6 °C ce qui correspond à une concentration à saturation en dioxygène de 8,2 mg/L.



On entre cette valeur dans le logiciel puis on introduit la sonde oxymétrique dans notre eau.




On relève une concentration de 14,1 mg/L.

On introduit alors de l'eau dans un flacon stérile que l'on ferme pour éviter tout échange avec l'extérieur et que l'on entoure de papier aluminium pour que l'eau soit à l'abri de la lumière et qu'il ne puisse donc pas y avoir de production de dioxygène par photosynthèse, ce qui fausserait les mesures.

Par curiosité, on introduit également de l'eau dans un flacon que l'on ferme mais que l'on isole pas de la lumière et dans un flacon ni fermé ni protégé de la lumière afin de mesurer l'influence de ces paramètres sur les résultats. La bouteille initiale ayant servi au prélèvement est isolée de la lumière et laissée ouverte. On a ainsi tous les cas de figure.




Après 5 jours, on répète les mesures.

Mais plusieurs difficultés se présentent.

L'ordinateur ayant été éteint entre temps, il faut recommencer l'étalonnage et la température de la salle a nettement chuté puisqu'elle est d'environ 16 °C. Les résultats trouvés sont incohérents : ils étaient trop élevés dès le premier jour.

En effet, cette méthode d'étalonnage convient pour des manipulations ponctuelles visant à effectuer des comparaisons. La relativité des valeurs est donc bonne mais pas les valeurs en elles-mêmes.

On obtient une concentration d'environ 6 mg/L.

On n'utilisera pas ces résultats pour déterminer la DBO₅.

L'étude comparative étant valable, on constate néanmoins que le conditionnement du flacon (avec ou sans contact avec l'air et lumière) n'influe pas de manière notable sur le résultat obtenu.



ETALONNAGE AVEC L'AIR ET DEUX SOLUTIONS :


Pour des raisons de disponibilité, tout le matériel a été déplacé chez l'habitant.



Durant toute la durée de l'opération, l'ordinateur n'est pas éteint pour que l'étalonnage reste le même et la température est maintenue constante.


Tout d'abord, on place l'électrode à l'air libre et on indique au logiciel une concentration à 21% de dioxygène.



Puis on introduit l'électrode dans du thiosulfate de sodium saturée Na₂S₂O₃ qui est une solution réductrice de concentration nulle en dioxygène. On fixe la valeur 0 mg/L sur le logiciel.



Enfin, on place l'électrode dans de l'eau distillée que l'on a agitée vigoureusement comme précédemment pour qu'elle soit saturée en dioxygène.



La température est de 21,8 °C, ce qui correspond à une concentration en dioxygène de 8,6 mg/L d'après la courbe étalon.

On introduit alors la sonde dans notre eau.

La concentration initiale en dioxygène est de 3,8 mg/L.


On a vu lors de la précédente manipulation que le contact avec l'air n'influait pas notablement sur la concentration obtenue. Le flacon est gardé à l'abri de la lumière et du dioxygène mais on se permet d'effectuer une mesure tous les jours afin de suivre l'évolution de la concentration en dioxygène dans notre eau.

On obtient les concentrations suivantes :

Temps (jours)	Concentration (mg/L)
1	3,8
2	2,6
3	1,9
4	1,7
5	1,6
6	1,5
7	1,4
8	1,2

On trace la courbe correspondant à cette évolution :



On remarque que la dégradation du dioxygène est beaucoup plus rapide les 2 premiers jours. Du fait de sa raréfaction, sa dégradation devient probablement de plus en plus difficile. De plus, il se peut que les bactéries ou autres micro-organismes consommateurs de dioxygène produisent des substances inhibitrices de leur activité.


Au bout de 5 jours, la concentration en dioxygène dans l'eau de l'Isle est de 1,6 mg/L.

On a donc une demande biologique en oxygène sur 5 jours :

DBO₅ = (Concentration en dioxygène initiale) - (Concentration en dioxygène au bout de 5 jours)
DBO₅ = 3,8 - 1,6

DBO₅ = 2,2 mg/L

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