Brevet FR2593168A1 — publié le 19870724

La présente invention concerne un dispositif de bouée qui, par un mouvement successif d'immersion et d'émersion, se destine au traitement biologique des eaux. L'épuration des eaux confinées et soumises à forte concentration de matière organique dégradable se réalise difficilement. La minéralisation de ces produits du métabolisme consomme énormoment d'oxpne. Ce oui nécessite souvent, même en cas de végétation aouatioue productrice d'oxygène, le recours à des moyens artificiels pour assurer l'équilibre des échanges biochimiques et conserver une qualité oligosaprobe aux eaux. Les techniques existentes ne sont réellement efficaces que pour les aquariums. Un problème subsiste quand il s'agit d'épurer plusieurs mètres cube d'eau, en aquaculture, pisciculture, où l'on emploit les mêmes installatior séparées : aérateurs, pompes de circulation, filtres extérieurs, etc.. Leur rendement apparaît faible, dès l'instant où la masse d'eau est importante et que son état implique un brassage et une aération accrue. Mais c'est en prétant encore assistance à la nature qui constitue la meilleure solution, en créant un élevage de bactéries spécialisées en l'épuration. Tel est le but de cette invention cul permet. la biodégradation et la minéralisation accélérées des divers dnchets diffusés dans les eaux. Le dispositif, selon l'invention, apporte notemment une économie de moyens dans la mise en oeuvre d'un procédé de filtration biologique obtenu à l'intérieur d'une bouée flottante. Ce dispositif se caractérise en l'utilisation d'un corps faisant appel à la pression de l'eau qu'il déplace pour s'enfoncer (principe d'Archimède) et se remplir, ainsi qu'à une pompe incorporée chargée de la vidange et de la remontée de ce corps. Cette hydrodynamique a pour fonction de faire circuler l'eau de bas en haut et également l'air de haut en bas par l'intermédiaire d'une bouée, sous l'effet alternatif de son émersion et de son immersion, en alimentant un filtre bactérien. A cet effet, les 3/4 environ du volume de la bouée sont remplis de substrats appropriés en vue de la formation d'une faune bactérienne oui remplit la tache de se nourrir des impuretés amenées par l'eau pour les transformer en éléments minéraux réas similables. Cette minéralisation s'effectue lentement, à l'abri de la lumière, zrâce au fonctionnement en continu de la bouée et n l'anrort de l'oxvrène et du xaz carbonique indispensables à l'activité des micro-organismes colonisant la matière poreuse en surface de lacuelle ils se fixent et se reproduisent. La figure 1 indique ce cycle favorable à la culture et la filtration. La bouée (1) y est présentée avec tous ses éléments, avec la matière filtrante interne, dense dans la partie basse (8), légère dans la partie centrale (7), ou spongieuse dans la partie supérieure (2), ainsi que le fléchage de la circulation des eaux admises et refoulées. Un tirant d'eau est signalé par le niveau inférieur d'émersion (21) et le niveau supérieur d'immersion (22). Le fonctionnement de la bouée s'effectue en deux temps lors desquels l'eau est aspirée en continu, par la dépression interne de la boue, à travers un filtre mécanique (17) posé au fond extrieur des eaux, et elles pénètrent par une vanne (11) à l'intérieur de la bouée. La bouée flottant à son niveau d'émersion (21), déjà remDlie en sa partie basse (8) et, maintenue en équilibre par quatre stabilisateurs (5), l'eau pénètre progressivement dans une partie médiane (7) : la bouée s'enfonce alors lentement jusqu'à son niveau d'immersion (22). L'air s'étant préalablement introduit par une purge (10) située sur un chapeau (2), c'est à présent l'eau qui alimente les micro-organismes au centre (75. La bouée arrivée à son niveau d'immersion, un capteur (14) commute la mise en fonction d'une pompe (13). Son débit étant supérieure au débit d'entrée en continu de l'eau dans la bouée, celle-ci remonte lentement. Le refoulement de la pompe s'effectuant par un tube (12) et son lieu d'aspiration se situe dans le fond perforé (18) d'une cheminée de service (9), pour s'écouler extérieurement par un dôme d'éjection (3) au pourtour du chapeau, pour ruisseler autour d'un flotteur (4) et s'égoutter à l'entour de la fouée. Le cycle de l'eau intérieur se réalise maintenant de haut en bas, comme celui de l'air qui le suit par la purge, et ils passent de la partie centrale (7) dans la partie basse (8).Quand la bouée est revenue à son niveau d'émersion (21), la pompe s'arrête sous commutation d'un autre capteur (17). L'épuration de l'eau à travers des filtres bactériens de composition différente, dans les compartiments (8) et (7), se complète à l'écoulement en sortie par oxygénation et mélange d'eau d'un dernier filtre situé dans le chapeau. Le filet des eaux ruisselant pa4ssessus la bouée apparaît aussi fortement soumis aux rayons ultra-violet en cas d'ensoleillement, apportant une stérilisation partielle mais bénéfique. Un filtre mécanicue élémentaire précède ce filtre biologique et il se forme également un courant dans le volume d'eau extérieiw rx eur à la bouée, agissant par percolation au niveau du fond et écumation en surface à l'entour de la bouée. Ce procédé d'épuration associé à ce dispositif hydrodynamique autorise l'emploi intensif des eaux disponibles, en circuit fermé, avec un apport maximum en oxygène dissous, un PH stabilisé, pour un coût d'exploitation réduit et un minimum de place puisque toute l'installation reste à l'eau. La bouée peut donc également servir comme flotteur d'hivernaga, de protection contre la glace, selon une légère variante. Elle possède par ailleurs un aspect décoratif et son mouvement vertical forme une curiosité visuelle, d'où son intérêt pour les bassins d'agrément. Son utilité apparaît certaine en aquaculture, pisciculture, grands aquariums. Elle peut aussi servir au traitement partiel des eaux d'usage domestique, comme au traitement final des eaux de station d'épuration classique; l'on peut envisager son emploi à l'amélioration de la oualité des eaux de pêche en déficit d'oxygène et autres usages relatifs au contenu livré aux caractéristiaues fonctionnelles de la bouée. Les figures 2, 4 et 5 représentent la bouée en coupe et donnent vue en détails sur les caractéristiques, l'utilisation pratioue, le mode de réalisation. Il est indispensable d'évaluer le poids des matériaux du contenant avec celui du contenu, afin d'obtenir finalement une masse dont la densité soit égale ou supérieure à celle de l'eau pas inférieure - et appliquée à la partie en-dessous du flotteur. Ce qui impose les métaux aux matières plastiques dans la réalisation - mais cela dépend aussi de la nature des substrats du contenu. L'on peut préconiser trois types de matériaux, selon la taille des bouées réalisées. D'abord le cuivre et le laiton pour des bouées de petite dimension, entre 40 et 50 cm de diamètre, convenant à l'aquarium, auge d'alevins, etc..; puis une catégorie moyenne, entre 55 et 90 cm, faite en tôle galvanisée et plus éco nomioues; au-delà de ce diamètre les bouées peuvent être réali syes en matariaux légers. Les éléments hors eau, flotteur (4), chapeau (2), peuvent éventuellement se concevoir en structure légère pour toute dimension de bouée. Le plomb est exclu de la soudure et du revêtement. A l'exception du flotteur, aucune autre partie n'exige l'étanchéité absolue dans l'assemblage. La bouée entière est constituée en deux parties séparables,(1) et (2), sans fixation - ceci pour en faciliter l'entretien. La partie inférieure (1) forme un ensemble à trois étages ou compartiments communs. Le compartiment central (7), cylindrique, comporte une hauteur qui est le tiers du diamètre; il est réuni à deux compartiments tronconiques (8) et (4), dont les angles sont identiques, entre 120 et 1300.Le compartiment bas (8), dont la hauteur forme les 3/5 du compartiment central, comporte en-dessous quatre stabilisateurs (5) dont l'un avec un percement d'amarrage (19). Ce compartiment comporte également par le dessous, à proximité du lieu d'assemblage avec le compartiment superposé, entre deux stabilisateurs, une vanne (11) qui débouche, par sa sortie d'eau, légèrement en-dessous du niveau d'émersion (21); elle se raccorde à un tuyau très souple (16) réunissant un filtre mécanique (17). Une cheminée de service (9) pose solidairement au fond de la bouée, et elle comporte des percements (18) au niveau d'admission de la pompe (13).Sa hauteur est égale à la hauteur utile de la masse filtrante et son diamètre est fonction de celui de la pompe; son emplacement correspond à la sortie d'un tube de refoulement (12) situé dans l'axe central de la bouée et d'un bord de la cheminée Celle-ci n'a qu'un rôle de commodité : elle permet a' l'usager l'introduction facilité de la partie supérieure (2) toute équipée, après remplissage de la matière filtrante dans la bouée. L'étage du haut, solidairement superposé au compartiment central, est constitué d'un flotteur (4) et d'une fenêtre (6) ouverte de forme cylindrique dont la hauteur est de moitié celle du compartiment central. Par cette ouverture s'effectue le remplissage de la bouée. Le flotteur tronconique peut être vide ou rempli d'une mousse expansée.La pente d'écoulement de l'eau sur le flotteur possède un rebord (27) qui peut, préférentiellement, se concevoir différemment, afin de prévoir l'utilisation de la bouée comme amortisseuziz de pression de la glace s'exerçant contre les parois d'un bassin. Dans ce cas le mode de réalisation consiste à former ce pourtout (27) en arrondi à rayon relativement grand. En ces conditions, après lestage intérieur par quelques grosses pierres, l'immersion statique de la bouée permet à la glace de glisser en remontant sur le flotteur. La bouée étant insubmersible, isolée, elle peut ainsi passer l'hiver toute équipée, pompe arrêtée et avec utilité. La partie supérieure de la fouage, de conception pratique, com porte tous les éléments fonctionnellement indépendants. Elle est constituée d'un chapeau (2) fermé, de forme également tronconique, qui repose de son poids par recouvrement sur l'ouverture de la fenêtre (6) de bouée. Ce chapeau est traversé solidairement dans l'axe de sa hauteur Fr un bout de tube possédant, à son extrémité supérieure, la forme d'un entonnoir d'éjection (28). L'autre extrémité sert d'embout de raccordement à un tube de refoulement (12) d'une pompe (13). Les flancs du chapeau comportent une purge d'air (10) et de passage du cable électrique (20); d'autre part, il comprend une série d'ouvertures circulaires (23) à proximité de l'entonnoir.Ces ouvertures servent au remplissage du chapeau en matière filtrante et en eau, ainsi qu'au ralentissement de l'éjection de l'eau refoulée; le façonnage en forme de gouttière (26) du pourtour bas du chapeau a également pour fonction de briser le ruissellement. Le chapeau intègre ainsi une fonction de filtre bactérien d'appoint et de lest de maintien de son équipement entier par-dessus l'autre partie de la bouée. Un dôme (3) en bronze ou en plastique épouse l'entonnoir (28) en gardant une marge réglable par rondelles pour la distribution des eaux, au moyen d'un système de fixation (25) à trois vis sur écrous solidaires du chapeau. La hauteur totale de cet équipement ne devant pas faire reposer mais affleurer le bas de la pompe dans le bas de la bouée.Des capteurs (14) et (15) étant répartis par collier de fixation le long du tube (12), disposés au préréglage de l'activité de la bouée et à la commutation électrique. La figure 6 indique une variante préférentielle du mode de réalisation régulant le fonctionnement de la bouée, plus fiable, avec un circuit électrique qui ne comporte aucun seul commutateur situé hors eau. Ce dispositif est constitué d'un tube support (36) oui télescope le tube de refoulement de la pompe et se règle verticalement par un écrou papillon (37). Il comprend un ensemble préréglé caractérisé par une potence (38) et des guides (43) et (39) dans lesouels coulisse une tige de laiton (40) sur laquelle se trouve calla un flotteur supérieur (41) et un flotteur inférieur (42) à distance correspondant au tirant d'eau de la bouée. Le sommet de la tige articule un dispositif (45) constitué d'un bras coudé mobile sur un axe de la potence et qui actionne la bascule "marche- arrêt d'un commutateur électrique (44). Ce système fonctionne en quatre tenus avec la variation du ni veau de l'eau dans la bouée. La levée du flotteur supérieur ferme le circuit électrique à la pompe, par appui du bras coudé contre l'un des côtés du commutateur à bascule. La descente de ce flotteur interpositionne le système par rapport au commutateur : la pompe restant en "marche". Lorsque le flotteur inférieur se trouve également en descente, la pompe se met en "arrêt par l'appui du bras coudé contre l'autre côté de la bascule du commutateur; la remontée de ce flotteur maintient la pompe hors fonction avec le bras coudé en position neutre.Le poids de la tige agit d'une part lors de la baisse finale du niveau, la montée des deux flotteurs axit d'autre part lors de la hausse finale du niveau; les états intermédiaires conservent un équilibre, une position moyenne à tous les éléments, et sont hors action sur la pompe. Les caractéristiques du substrat incorporé à la bouée feront qu'à l'usage le dispositif de régulation du mouvement vertical de la bouée, et eut égard à des endroits déterminés des niveaux d'immersion et d'émersion, pourra ainsi être déplacé légèrement au moyen du tube support (36); l'écart entre ces niveaux est, lui, prédéterminé et invariable. Le bon fonctionnement de la bouée dépend en partie de la composition des substrats. Le ressuyage naturel de ces matières filtrantes apparaît essentiel; leur densité, leur porosité, leur surface par unité de volume, est importante. Ainsi la mousse synthétique s'exclue en raison de sa rétention des eaux, sauf pour son introduction dans le chapeau (2) qui doit au contraire retenir l'eau. Les matières utilisables pour le compartiment bas (8) et le compartiment central (7) se composent, dans l'ordre de leur mise en place dans la bouée : le ciicaire poreux, le granulat volcanique poreux, le sable de corail; puis vient le coke, des balles creuses en polyéthylène comportant des perforations pour permettre leur vidange en toute position. Ces éléments remplissent de préférence des sacs perméables se posant dans la bouée jusqu'au niveau d'immersion; des coquilles de moules peuvent être introduites en intervalle, afin de parfaire l'équilibre de la densité du rapport bouée-eau : la bouée doit pouvoir s'enfoncer naturellement jusqu a son niveau d'immersion, quel qu'en soit le débit d'admission réglé à la vanne (11). Mais la bouée représente aussi un enclos d'expérience pour d'autres substrats naturels et artificiels, à condition qu'ils ne soient jamais bactéricides. La figure 3 indique le mode de réalisation d'un filtre mécani aue (17) spécialement adapté. Il est constitué d'au moins quatre éléments filtrants en polypropylène à structure rigide sans excès puisque soumis seulement à une pression naturelle. Le calibre des mailles ne devant pas être inférieur à 0,3 mm. Le principe consiste à retenir au fond les particules grossières, afin de ne pas colmater le filtre biologique de la bouée, tout en lui apportant de quoi entretenir son activité. le filtre mécanique comporte ainsi, respectivement de l'extérieur vers l'intérieur, un premier élément cylindrique (32) avec mailles de 4 mm, dans lequel s'emboîte successivement des éléments semblables mais de dimension réduite et dont les mailles sont ramenées à 2 mm (33), puis 1 mm (34), et 0,5 mm (35).Ces éléments sont fermés à une seule de ix leurs extrémités, pour en faciliter également leur nettoyage interne. ils sont enfilés sur un tmbe de cuivre (29), leur côté ouvert venant s'adapter chacun dans un sillon concentrique d'une appliaue en cuivre (30) solidaire du tube central. Ce tube comp prend cueloues percements sur sa longueur interne à ces filtres; l'une des extrémités étant obturée et filetée pour recevoir un écrou papillon (31) d'assemblage en bronze, l'autre restant ouverte pour le raccord au tuyau (16). Le cuivre formant à la fois masse pesante d'immobilisation et désinfectant ionique pour le milieu aquatique : il ne doit donc pas être tronqué avec un autre métal dans cette utilisation. La grandeur du filtre est dimensionnée en rapport avec le modèle de bouée;elZe doit totaliser une surface filtrante durable à l'obstruction, nécessaire en raison de la seule pression statique. La bouée s installe à l'endroit le plus profond de la pièce d'eau à traiter, le filtre mécanique devant reposer à proximité. Pour que la bouée ne touche aucun obstacle qui entraverait son mouvement vertical, un double cordon d'attache peut s'avérer nécessaire. En vue d'entretien, la partie supérieure comprenant le chapeau, la pompe, et le dispositif de régulation, se pose manuellement, se soulève et s'enlève avec facilité. lie débit d'entrée des eaux dans la bouée doit rester relativement faible au début d'une mise à l'oeuvre, pour être augmenté après colonisation des substrats. La vanne apparaît accessible lorsque la bouée est en émersion totale. La maintenance de cette bouée est en fait extrèmement commode et économique en travail. L'usager a le choix soit de la laisser en action en permanence, sauf par temps de gel, soit en saison estivale uniquement, soit encore seulement de nuit; dans tous les cas d'arrêt fonctionnel, la bouée reste flottante, à son niveau d'immersion, évitant l'altération de la micro-faune. La formation d'une culture de bactéries spécialisées en l'auto-épuration présente quelques risques- par production de nitrite et de composés ammoniacaux dans le processus de la biodégradation et en cas de surcharge en déchets organiques. Sinon, avec l'usage bien approprié de la bouée, ces toxines ne doivent figurer qu'à l'état normal de traces. il faut compter aueloues semaines de fonctionnement, selon la temparature, pour aue se développe une souche de départ - à moins d'ensemencement; ensuite cette souche est. conservée par le remplacement partiel des substrats poreux et en cas de colmatage, en bout de saison ou d'année. La recolonisation et l'aérobiose reprennent alors rapidement. Le débit d'admission dans la bouée ne doit pas dépasser le débit de refoulement hors la bouée, compte tenu que la pression et le débit à la vanne sont proportionnels à la profondeur d'immersion de la bouée. Le débit de la pompe est déterminé et constant pour agir directement sur le temps d'émersion de la bouée; il conditionne seulement la vitesse de circulation des eaux dans le temps d'immersion de la bouée. La marge de réglage du débit à la vanne dépend donc de la puissance de pompe installée. Selon l'invention, c'est la solution la plus simple qui est choisie comme régulation. L'on peut évidemment opter pour d'autres systèmes rétroactifs: électro-vanne, variation de vitesse de la pompe, etc.. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné au traitement biologique des eaux, ca caractérisé par une bouée (1) qui se remplit sous la pression de l'eau opposée à sa pression de corps flottant et pesant, pour se vider en alternance par une pompe (13) incorporée à partir de son niveau d'immersion (22) jusqu'a son niveau d'émersion (21), en faisant circuler l'eau et l'air à travers un filtre bactérien d'épuration se trouvant à l'intérieur (en 8, 7, 25. 2) Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bouée (1) est constituée en l'espect d'un double corps tronconique (en 8 et 4) solidaire d'un corps cylindrique médian (7) et qui se compose de deux compartiments communs (7 et 8), comportant par en-dessous quatre ailerons (5) de stabilisation ainsi aucune vanne (11) et par en-dessus un flotteur d'insubmersabilité (4) oui comprend une fenêtre (6) de service ouverte au centre. 3) Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le compartiment inférieur (8) comporte une cheminée (9) de service solidaire, de hauteur correspondant au niveau d'immersion (22), comprenant des percements à la base (18), et dont le diamètre intérieur est à la mesure de l'introduction libre d'une pompe (13) qui affleure le fond de la bouée (1) en déterminant l'emplacement de la cheminée par rapport à la bouche de refoulement située dans l'axe vertical de la bouée. 4) Dispositif, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la bouée (1) comporte un chapeau (2) autonome et adaptable sur la fenêtre (6), lequel est constitué en tronc de cône fermé comportant au centre un tube solidaire terminé en forme d'entonnoir (28) qui est coiffé d'un dôme (3) d'éjection séparable et réglable (en 25). 5) Dispositif, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le chapeau (2) comporte une pente d'écoulement ceinturée autour du sommet d'une série d'ouvertures circulaires (23) de remplissage en eau et en matière filtrante, puis d'une gouttière à la base (2#), et comprenant lattéralement un bout de tube (10) en dégagement pour l'aération et le câblage électrique (20) de la bouée. 6) Dispositif, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube central du chapeau (2) se raccorde à un tube de refoulement (12)- 7) Dispositif, selon la revendication 6, caractérisé en ce aue le tube support (36) comporte une potence (38) à sa hauteur et un guide (39) e sa base par lesquels coulisse une tige de laiton (40) comprenant un flotteur supérieur (41) callé à une extrémité et correspondant au niveau d'immersion (22) de la bouée et un flotteur inférieur (42) callé à l'autre extrémité correspondant au biveau d'émersion (21), et qui agissent par l'intermédiaire d'un bras coudé (45) articulant dans le haut de la tige autour d'un axe en bout de la potence sur un commutateur électrique à bascule (44). 8) Dispositif, selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit électrique (20) à la pompe (13) est invariable (en fonction ou hors fonction) lorsque le flotteur inférieur (42) soulève seul la tige (40) à demie course lors de la variation du niveau de eaux dans la bouée (1), en maintenant la position du bras coudé (45) entre la bascule du commutateur (44);; que le circuit rente ainsi fermé quand les deux flotteurs (41 et 42) se sont levés avec le niveau final d'immersion (22) en commandant la bascule du commutateur sur "marche", et qu'il reste ouvert quant les deux flotteurs se sont abaissés avec le niveau final d'émersion (21) en commandant la bascule du commutateur sur arrt, 9) Dispositif, selon les revendications 1, 2, 4, caractérisé en ce que les compartiments communs bas (8) et central (7) de la Fouée (1) ainsi que le chapeau (2) sont destinés à recevoir un filtre bactérien qui est constitué de matières poreuses non rétentrices en eau et à densité décroissante de bas en haut pour la bouée, de matière poreuse spongieuse pour le chapeau; substrats constitués principalement de petites balles de polyéthylène creuses comportant des ouvertures de vidange en toutes leurs positions. 10) Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par un filtre mécanique (17# oui est constitué d'éléments emboîtables (32 a 35) de forme cylindrioue fermés à une seule extrémité, lesquels s'enfile a sur un tube (29) en venant s'adapter de leur extrémité ouverte à une arnlicue nervurée (30) en se maintenant assemblés #ar écrou papillon (31) par le bout obturé du tube qui admet l'tau filtré par des percements intérieurs et se raccorde par l'autre bout ouvert à la vanne (11) de réglage du débit dans la boute (1).