Brevet FR2140125A1 — publié le 19730112

L'invention concerne un procédé et un appareillage pour rdgénérer des lacs enXenrichissant 11 eau en oxygène. Plus particulièrement, l'invention vise àrésoudre le problème de traSer à l'air des lace dont la profondeur dépasse 8 à 10 mètres, sans modifier la stratification thermique de l'eau. Pendant l'été, l'eau de ces lacs est stratifiée en deux couches différentes, une couche supérieure chaude appelée epilim n'on et une couche inférieure froide appelée hypolimnion. La limite entre ltepilimnion et l'hypolimnion est située à une profondeur de 8 à 10 mètres. La couche superficielle possède un bon con tact grec l'atmosphère et est donc capable d'absorber une certaine quantité d'oxygène. Dans cette couche supérieure, le phytoplancton produit des substances organiques et de l'oxygène à titre de sous-produit. Quand les concentrations nutritives de la couche suprieure sont élevées pour des causes naturelles ou sous l'action de l'homme, il en résulte une production rapide de substances organiques.Une grande proportion de ces substances se dépose dans la couche inférieure froide, dans laquelle elle est décomposée par des bactéries en ses composants inorganiques. Toutefois, ce processus ne s'effectue que s'il existe de l'oxygène dans l'eau de 1'hypolimaion. S'il y a trop peu d'oxygène pour que cette décomposition organique se produise, les sels nutritifs se diffusent dans l'eau depuis la couche de vidiment au fond du lac pendant la période stagnante d'été. Dans la circulation au printemps suivant, ces sels nutrittis sont répartis dans toute la masse d'eau et deviennent ainsi disponibles pour une nouvelle production de matières organiques. Cette augmentation continuelle de la production de matières organiques a pour conséquence que la proportion d'oxygène devient de plus en plus faible, et le lac est dans l'incapacité de mettre fin à ce développement défavorable sans aide de l'exté- rieur. Une façon de tirer le lac de cette situation est de fournir de l'oxygène à l'eau. L'oxygène doit être envoyé dans la couche inférieure (bypolimnion) qui consomme de 1' oxygène et qui en manque. Il est donc important que l'eau de lthypolimnion ne soit pas mélangée avec l'eau superficielle riche en oxygène, car il pourrait en résulter une déficience en oxygène dans la totalité du lac. D' auprès un procédé connu pour enrichir un lac en oxygène, l'eau de lthypolimnion est amenée à la surface au moyen d'une pompe à bulles d'air, et,après avoir été en contact avec l'atmos- phère, elle est ramenée à sa profondeur d'origine. Ce procédé connu présente l'inconvénient de nécessiter un équipement exSrêmement volumineux et qui est difficile à-mani- puler. La pompe doit avoir au moins dix mètres de haut pour traverser toute la couche d'epilimnion. Un autre inconvénient de ce procédé est que l'eau est amenée en contact avec de l'air à la pression atmosphérique, ce qui signifie une solubilité relativement faible de l'oxygène. D'après l'invention, les problèmes ainsi posés sont ré- solus par un traitement de l'eau dans l'hypolîmnion lui-m#me, de sorte que l'oxygène est envoyé à l'eau sous la pression qui règne dans l'hypolimnion. Si, par exemple, de l'oxygène est envoyé à une profondeur de vingt mètres, la quantité d'oxygène soluble dans l'eau est environ trois fois supérieure à la quantité correspondante à la surface. Cela signifie également que l'appareillage nécessaire est beaucoup plus petit que la pompe décrite précédem- ment. L'invention a également pour objet un appareillage pour le traitement par l'air de l'eau de l'hypolimnion. On va maintenant décrire plus en détail le -procédé et l'appareillage suivant l'invention, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 montre la stratification thermique de l'eau dans un lac profond pendant l'été. La couche supérieure (epilimnion) a une gamme de température qui va d'environ 200 à la surface à 40 à environ dix mètres de profondeur, tandis que la couche inférieure (hypolimnion) a une température constante au-dessous de dix mètres. La figure 2 est une vue schématique montrant le principe du procédé suivant l'invention. La figure 3 est une coupe verticale d'un appareillage suivant l'invention, par 111-111 de la figure 4. la figure 4 est une coupe horizontale par IV-IV de la figure 3. Si l'on se reporte d'abord à la figure 2, on voit que de l'air est introduit dans l'hypolimnion par un conduit 10. Ce conduit se termine à l'extrémité inférieure d'un tube vertical 11 ouvert aux deux bouts. Lorsque de l'air est soufflé dans l'eau à travers le conduit 10, des bulles montent le long du tube 11 et réalisent une pompe à bulles d'air. L'extrémitfi supérieure du tube 11 se trouve dans une enceinte 12 en forme de cloche dont le r#e est de rassembler les bulles d'air qui montent. À l1extrémi- té supérieure de la cloche 12 se forme un volume d'air 13 dont la valeur est contrôlée par une soupape réductrice 14 sensible à la pression. L'excès d'air est évacué dans l'atmosphère à travers la soupape 14 et un conduit 15.L'eau vient en contact avec les bulles d'air qui montent dans le tube 11, ainsi qu'avec le volume d'air 13 dans la cloche 12. D'après le procédé suivant l'invention, l'eau pénètre dans le tube 11, y monte avec les bulles d'air, traverse le volume d'air 13 et sort de la cloche. Il est important que des bulles d'air ne plissent s'échapper de la cloche avec le courant d'eau, car des bulles d'air qui monteraient librement produiraient un courant ascendant indésirable dans l'eau, et ceci s raduirait par des troubles apportés à la stratification thermique de Revu. Si l'on se reporte maintenant aux figures 3 et 4, on y voit un appareillage suivant l'invention pour enrichir de l'eau en oxygène. L'appareillage comprend une cloche 21 formée d'une partie supérieure 22, d'une partie intermédiaire 23 et d'une partie inférieure 24. La cloche 21 est de section circulaire. La partie supérieure 22 est de forme conique et la partie intermédiaire 23 de forme tronconique. La partie inférieure 24 est cylindrique et possède trois sorties radiales 25a à 25c dont seules les deux premières sont visibles sur la figure 3. La partie 24 possède un fond26 percé d'une ouverture circulaire centrale.En outre, l'appareillage comprend un tube 27 disposé verticalement, dont l'ex- trémité supérieure se trouve à l'intérieur de la cloche 21 en face de la partie intermédiaire 23, et qui descend à travers l'ouver- ture circulaire du fond 26. À l'extrémité inférieure du tube 27 est montée une buse annulaire 28 (figure 4) reliée à une source d'air sous pression, non représentée, par un tuyau 29. Le tube 27 est fixé à trois supports symétriques 30a à 30c sur la partie inférieure 24 de la cloche et est supporté radialement par trois cloisons de guidage 31a à 31c disposées symé triquement (figure 4)* montées à l'intérieur de la cloche 21. Le montage du tube 27 permet de le déplacer axismement par rapport è la cloche.A cet effet, le tube 27 possède des ailettes 32a à 32c disposées axialement, dont une seule, 32b, est visible figure 3, et qui sont percées chacune d'un certain nombre de trous pour permettre la fixation du tube 27 dans différentes positions axiales au moyen de vis et d'éeF us. Cette disposition permet de faire varier l'espace annulaire entre le bord supérieur du tube 27 et la paroi inférieure conique de la cloche 21, de sorte que la vitesse du courant d'eau descendant peut varier en fonction de la quantité d'air envoyée. Cette vitesse doit être maintenue inférieure à la vitesse ascendante des bulles d'air, pour éviter que ces bulles ne soient entra#nées vers le bas par le courant d'eau. La partie supérieure 22 de la cloche 21 forme un collecteur d'air muni d'une ouverture de sortie 33 qui communique avec l'atmosphère par l'intermédiaire d'un conduit 34 et d'une soupape de réglage 35. Aux ouvertures 25a à 25c de la partie 24 de la clOche sont reliés des conduits de distribution 39a à 39c pourvus de chambres 36a à 36c destinées à recueillir de l'air et consistant chacune en une section tubulaire de même diam#tre que les ouvertures 25a à 25c et qui possède un renflement. Les chambres 36a à 36c communiquent avec l'atmosphère par des conduits 37a à 37c munis de soupapes de réglage 38a à 38c. Les conduits 39a à 39c peuvent 8tre constitués par des tubes en matière plastique à paroi mince, qui sont avantageux en raison du fait qu'ils sont bon marché, légers et faciles à manipuler. L'appareillage suivant l'invention comprend également des dispositifs stabilisateurs formés de flotteurs 40 et 41 reliés à la partie supérieure 22 de la cloche 21 et de bras 42a à 42c disposés radialement, solidaires de la cloche 21 et reliés à un bloc de fixation 44 situé au fond dibac par l'intermédiaire de fils 43a à 43c ou de dispositifs analogues. L'appareillage représenté sur les figures 3 et 4 possède également un dispositif de sécurité comprenant des clapets auxiliaires 45 disposés dans la partie supérieure 22 de la cloche 21. Au moyen d'un fil 46, les clapets 45 sont reliés à un poids 47 qui repose sur le fond du lac. L'appareillage d'enrichissement en oxygène suivant l'in vention est actionné depuis une plateforme flottante, non ripré- sentée, sur laquelle se trouve la source d'air comprimé. Sur la plateforme flottante se trouve également un treuil au moyen duquel l'ensemble de l'appareil peut être soulevé ou abaissé. La plateforme de commande ne fait pas partie de l'invention et, pour cette raison, n'a pas dtd représentée sur les dessins. L'appareillage selon l'invention fonctionne comme suit : Pour oxygéner de l'eau au moyen d'air, on fait descendre l'appareil dans l'hypolimnion à une profondeur supérieure à huit à dix mètres. En pratique, on fait descendre l'appareil jusqu'à ce que le bloc bancrage 44 et le poids 47 reposent sur le fond du lac. Les flotteurs 40 et 41 sont dimensionnés de façon à supporter la partie principale du poids de l'appareil, en dehors du bloc 44 et du poids 47. Les flotteurs 40, 41 maintiennent donc l'appareil en position verticale. Les longueurs des fils 43a à 43c et 46 qui relient l'appareil au bloc 44 et au poids 47 sont calculées de fa çon à maintenir le bord inférieur du tube 27 à une distance du fond du lac de l'ordre de deux à trois mètres. L'appareil commence à fonctionner lorsque de l'air comprimé arrive à la buse 28,2epuis la source d'air comprimé, via le conduit 29. L'air quitte la buse sous forme de bulles qui montent le long du tube 27 et entrassent avec eux l'eau voisine. La pompe ainsi réalisée fait monter l'eau dans le tube 27 et dans la cloche 21. Lorsque les bulles d'air quittent le tube 27, elles continuent à monter et se rassemblent finalement pour constituer un volume d'air à la partie supérieure de la cloche 21. En raison de la pression de ce volume d'air dans la partie supérieure de la cloche 21, l'éooulement de l'eau change de direction et se fait vers le bas à travers l'espace annulaire compris entre la cloche et le tube 27, puis à travers les ouvertures 25a à 25e. Ensuite, l'eau enrichie en oxygène traverse les chambres 36a à 36c, dans lesquelles des bulles d'air qui peuvent avoir éteáspirées avec le courant peuvent monter et oye rassembler dans les renflements. D'eau traitée est ensuite distribuée dans le lac par les conduits 39a à 39c. L'air déficient en oxygène qui se rassemble à la partie supérieure 22 de la cloche 21 est conduit à l'atmosphère à travers l'orifice 33, le conduit 34 et la soupape 35. Pour éviter que ce conduit agisse comme une pompe à bulles d'air, il faut réduire l'écoulement de l'air. Ce résultat est obtenu grâce à la soupape 35. Cette dernière est réglée de façon à maintenir dans la cloche un volume d'air aussi faible que possible mais de valeur constante. Ce contrble de l'écoulement est important, car si lacontre-pression dans le conduit 34 était trop faible, l'eau pourrait y pénétrer et réaliser ainsi une seconde pompe à bulles d'air. Réeiproquement, si la contre-pression était trop élevée, le volume d'air à l'intérieur de la cloche augmenterait et atteindrait finalement un point où la circulatiox d'eau dans la cloche cesserait complètement, et, peut-#tre, l'ensemble de l'appareil remonterait à la surface. Pour éviter le soulèvement de l'ensemble de l'appareil, les clapets 45 de la partie supérieure 22 de la cloche 21 s'ouvrent dès que le poids 47 agit sur le fil 46, c'est-à-dire n'est plus en contact avec le fond. Lorsque les clapets 45 sont ouverts, un volume d'air considérable s'échappe rapidement de la cloche 21, de sorte que le volume d'air à l'intérieur de la cloche, et donc la force élévatrice agissant sur l'appareil, diminuent rapidement. Dans les chambres 36a à 36c, il se rassemble une quantité secondaire de bulles d'air. Cette disposition assure une séparation efficace des bulles d'air et de l'eau, puisque les bulles qui ne se sont pas rassemblées dans la cloche 21 sont recueillies ensuite dans les chambres 36a à 36c. Ainsi, la vitesse de circulation dans la cloche 21 peut être relativement élevée sans qu'on coure le risque que des bulles d'air sortent de l'hypolimnion. L'air rassemblé est évacué des chambres 36a à 36c par des soupapes 38a à 38c, de la même façon que l'air est évacué de la cloche 21. Dans le mode de réalisation de l'invention qui vient d'btre décrit, les niveaux de l'eau dans la cloche 21 et dans les chambres 36a à 36c sont contrôle's par des soupapes que l'on doit régler manuellement en vue d'obtenir les valeurs désirables pour les volumes d'air.Ces soupapes peuvent bien-entendu être automatiques, par exemple en utilisant des flotteurs comme dispositifs détecteurs, en vue d'obtenir un réglage du courant d'air en fonction des niveaux de l'eau Dans un autre mode de rFalisation de l'invention, l'appareillage ne possède pas de chambres pour recueillir l'air dans les conduits d'évacuation, mais possède un espace plus grand entre tube 27 et la cloche 21, ce qui permet d'augmenter la circulation sans augmenter la vitesse du courant d'eau à travers la cloche. En outre, il est même possible de réduire la vitesse du courant d'eau, et, simultanément, d'augmenter la circulation. En diminuant la vitesse du courant d'eau dans la cloche, on obtient un rassemblement quasi total de l'air usé dans la cloche, ce qui rend inutile un collecteur secondaire pour l'air. La valeur du volume d'air à l'intérieur de la cloche peut être controlde par un dispositif sensible au poids de l'appareil dans l'eau. En d'autres termes, Si le volume d'air àl'inté- rieur de la cloche est trop considérable,1a force ascensionnelle agissant sur l'appareil compense le poids de celui-ci. Dans ce cas, la soupape de contre doit augmenter le courant d'air dans le conduit de sortie de façon i réduire le volume d'air à l'intérieur de la cloche. Il doit être bien entendu que 1 ode de réalisation décrit et représenté ne l'a été qu'à titre d'exemple et peut subir de nombreuses modifications sans sortir de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour enrichir en oxygène l'eau de lacs suf fisa #tre stratifiée pendant l'été en deux couches thermiques, caractérisé en ce qu'on introduit de l'eau dans la couche inférieure froide ou hypolimnion, que l'on dispose une sorte de cloche au-dessus du point d'introduction de l'air pour rassembler les bulles d'air qui montent, que l'air ainsi rassemblé est ramené à la surface par un conduit, et qu'une soupape disposée dans ce conduit y engendre une contre-pression afin d'empêcher l'eau d'y monter. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau circule à travers la cloche et est ainsi mise en contact avec l'air introduit dans la cloche. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la circulation d'eau est réalisée en faisant monter les bulles d'air le long d'un tube vertical dont l'extrémité supérieure est placée dans la cloche. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'eau ainsi oxygénée est répartie dans tout le lac. 5 - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par un tube sensiblement vertical 27 ouvert aux deux bouts, une buse 28 montée à l'extrémité inférieure de ce tube et reliée à une source d'air sous pression pour introduire de l'air dans ce tube, une sorte de cloche 21 dans laquelle est située l'extrémité supérieure de ce tube, un orifice 33 de sortie d'air dans l'extrémité supérieure de cette cloche, et un ou plusieursprifices 25a-25c de sortie d'eau à la partie inférieure de cette cloche. 6 - appareillage suivant la revendication 5, caractérisé par un conduit 34 reliant la sortie d'air 33 précitée à l'atmosphère, et par des moyens 35 pour contrtier l'écoulement de l'air à travers ce conduit. 7 - Appareillage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que des conduits de distribution d'eau 39a - 39c sont reliés aux orifices de sortie d'eau 25a - 25c précités. 8 - Appareillage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les conduits de distribution d'eau 39a - 39c possèdent des chambres collectrices d'air 36a - 36c munies de moyens 37a 37c, 38a - 38c pour renvoyer à l'atmosphère l'air ainsi rassemblé. 9 - Appareillage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la cloche 21 et le tube vertical 27 sont de section cir culaire et que la partie supérieure 22 de la cloche forme un ctne au sommet duquel se trouve l'orifice de sortie d'air 33 précité. 10 - Appareillage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la buse 28 est annulaire et disposée perpendiculairement à l'axe géométrique du tube vertical 27. Il - Appareillage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la cloche 21 possède au moine trois bras 42a - 42c dis posés radialement qui sont reliés à un ancrage 44 au fond du lac par l'intermédiaire de fils 43a - 43c ou organes analogues, et en ce qu'un ou plusieurs flotteurs 40, 41 sont fixés à la cloche pour la maintenir en position verticale. 12 - Appareillage suivant l'une quelconque des revendi cations 5, 9 et 11, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs soupa pes de streté 45 sont ménagées dans la partie supérieure 22 de la cloche 21 et sont reliées à un poids 47 par l'intermédiaire de fils 46 ou de dispositifs analogues, le poids ouvrant les soupapes quand il cesse d'titre on contact avec le fond du lac.