Brevet FR3024724A1 — publié le 20160212

La présente invention se situe dans le domaine technique de l'environnement et de la récupération d'énergie et concerne une unité de recyclage des eaux grises, en particulier des eaux grises domestiques. Les eaux grises sont les eaux d'origine domestique, résultant du lavage du linge, des mains, des bains ou des douches. Si de nombreux procédés existent déjà dans le domaine de la récupération de calories sur les eaux usées d'une part, et dans le domaine du recyclage des eaux grises, d'autre part, aucun ne parvient à concilier les deux activités dans un même dispositif. Par ailleurs, les nombreux systèmes de récupération de calories des eaux grises existant sur le marché souffrent d'un certain nombre de limites techniques : - certain font appel à des pompes à chaleur et consomment de l'énergie, - d'autres sont sensibles à l'encrassement des échangeurs avec la matière grasse et le savon résiduel, - d'autres sont rendus inefficaces par la variation aléatoire des températures de rejet des effluents, - enfin peu d'entre eux gèrent efficacement le décalage dans le temps entre le rejet d'une eau chaude et l'usage d'eau chaude, par exemple entre le remplissage d'une baignoire avec de l'eau chaude, et sa vidange qui a lieu plus tard. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif ne présentant pas de tels inconvénients. En particulier, un but de l'invention est de proposer un dispositif qui combine les avantages suivants : - combiner recyclage d'eau et récupération d'énergie, - gérer efficacement le décalage entre le puisage de l'eau et le rejet de l'eau utilisée, - utiliser au mieux les eaux usées rejetées en fonction de leur température de rejet, - utiliser un système autonettoyant écologique et naturel. A cet effet, l'invention concerne une unité de recyclage des eaux grises comportant : - au moins une entrée pour une eau grise, - au moins une entrée pour une eau propre, - n compartiments de stockage pour eaux grises (n>=2), chaque compartiment comportant une entrée en communication avec ladite ou chaque entrée pour eaux 3024724 2 grises par l'intermédiaire d'un système d'aiguillage, chaque ième compartiment (i=1 à n) étant destiné à stocker une eau grise présentant une température Ti, ou une température appartenant à une plage Pi de températures, la température Ti ou la plage Pi de températures du ième compartiment de stockage étant inférieure à celle du i-lème 5 compartiment et supérieure à celle du i+lème compartiment, ledit système d'aiguillage étant apte à répartir les flux d'eaux grises par compartiment de stockage en fonction de la température de l'eau grise, - chaque compartiment de stockage contenant en outre au moins un réservoir échangeur prévu pour être traversé par une eau propre, 10 - un réseau de circulation faisant circuler l'eau propre dans les réservoirs échangeurs depuis l'entrée pour eau propre et le nème compartiment de stockage jusqu'au ième compartiment de stockage, - un système d'aiguillage prévu pour répartir les flux d'eaux grises dans le compartiment présentant la température Ti, ou la plage de températures Pi, la plus 15 élevée, parmi les compartiments de stockage présentant une température Ti, ou une plage de températures PI inférieure à celle de l'eau grise entrante dans ladite unité. Avantageusement, le système d'aiguillage est composé, d'une part, d'un système d'aiguillage de l'eau grise, tel que des vannes à l'entrée de chaque compartiment de stockage asservies à des sondes de mesure de température de l'eau 20 grise contenue dans les compartiments de stockage et à des sondes de mesure de température de l'eau grise entrant dans l'unité, et d'autre part, d'un dispositif de traitement des données de températures des eaux grises mesurées et de contrôle dudit système d'aiguillage, tel que lesdites vannes. Dans une autre mode de réalisation, les vannes pourront être remplacées par un autre dispositif d'aiguillage des eaux grises, 25 par exemple une canalisation avec un embout orientable. Avantageusement, la paroi externe desdits réservoirs échangeurs est recouverte d'un biofilm comportant des bactéries aérobies. L'unité selon l'invention permet de répartir l'eau grise rejetée après utilisation, par exemple après des bains, des douches ou des lavages de vaisselles, dans des 30 compartiments de stockage en fonction de sa température. Chaque compartiment comprend un ou plusieurs réservoirs échangeurs qui sont traversés par de l'eau propre et froide. La surface des réservoirs autorise l'échange de chaleur et donc le transfert des calories depuis l'eau grise jusque dans l'eau propre. De même, la présence d'un film de bactéries aérobies à la surface des réservoirs échangeurs assure la dégradation 3024724 3 de la matière organique de l'eau grise stockée dans un compartiment et ainsi son épuration. Chaque compartiment est prévu pour être rempli par une eau grise de température Ti, ou dont la température Ti est comprise à l'intérieur d'une plage de 5 températures Pi, la température Ti, ou la plage Pi de températures du ième compartiment de stockage étant inférieure à celle du i-lème compartiment. Le principe est que le système d'aiguillage va répartir les flux d'eaux grises dans le compartiment présentant la température Ti, ou la plage de températures Pi, la plus élevée, parmi les compartiments de stockage présentant une température Ti, ou une plage de 10 températures PI inférieure à celle de l'eau grise entrante dans ladite unité. L'eau propre, quant à elle, circule du nème compartiment, associé à la plage de température la plus faible, par l'intermédiaire des réservoirs échangeurs, jusqu'au compartiment associé à la plage de température la plus élevée. Il se produit un transfert des calories depuis l'eau grise jusque dans l'eau propre qui est donc 15 réchauffée au cours de son cheminement à travers l'unité, en passant de compartiments en compartiments. Cela permet de réduire l'énergie nécessaire au fonctionnement d'un appareil de chauffage prévu de manière classique pour chauffer l'eau propre en vue de son utilisation. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ième compartiment de stockage 20 est en communication avec le i-1 ème compartiment. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'unité comprend cinq, préférentiellement quatre, plus préférentiellement trois compartiments de stockage. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque compartiment de stockage comprend entre cinq et quatre, préférentiellement trois réservoirs échangeurs isolés 25 entre eux. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque réservoir échangeur se présente sous la forme d'un tube en acier inox, en verre, en polycarbonate ou en plastique ou en tout autre matériau connu pour permettre un échange thermique entre deux milieux, et favorable à la croissance bactérienne. 30 Avantageusement, l'unité comporte un condenseur en communication avec l'entrée d'eau propre et en amont desdits réservoirs échangeurs. Avantageusement, l'unité comporte un moyen pour générer de l'air comprimé et le distribuer à l'intérieur de chaque compartiment de stockage, tel qu'un surpresseur d'air dont la chaleur de compression est utilisée pour chauffer l'eau. 3024724 4 Avantageusement, l'unité comporte un moyen de récupération de boues issues de la dégradation de la matière organique des eaux grises à l'intérieur de chaque compartiment de stockage. Avantageusement, l'unité comporte un moyen de récupération du gaz et de l'air 5 vicié émanant de chaque compartiment et d'acheminement dudit gaz jusque dans ledit condensateur. Ceci permet de récupérer la chaleur latente de déshumidification. Avantageusement, chaque compartiment de stockage est en relation avec une réserve extérieure isolée. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, 10 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec la Fig. 1 jointe laquelle représente de manière schématique une unité de recyclage des eaux grises selon un mode de réalisation de l'invention. En lien avec la Fig. 1 est illustrée une unité de recyclage des eaux grises 100 15 comportant une entrée pour une eau grise ou une eau usée 101, une entrée pour une eau propre 102, telle qu'une eau provenant du réseau de distribution public, et une pluralité de compartiments de stockage pour eaux grises 103, 104, 105. Les entrées 101 et 102 comportent avantageusement des vannes. Chaque compartiment 103, 104, 105 comporte une entrée 107, 108, 109, 20 respectivement, en communication avec l'entrée 102, par l'intermédiaire de vannes thermostatiques 110, 111, 112. Les vannes 110, 111, 112 font partie d'un système d'aiguillage permettant de répartir l'eau grise entrant dans l'unité 100 à l'intérieur des compartiments de stockage 103, 104 ou 105 en fonction de la température de l'eau grise et de la 25 température desdits compartiments. Pour ce faire, chaque vanne 110, 111, 112 est respectivement associée à une sonde 141, 142, 143 de mesure de la température de l'eau grise entrant dans le dispositif 100 depuis l'entrée 101 et une sonde 144, 145, 146 de la température de l'eau grise déjà stockée dans le compartiment dont cette vanne contrôle l'entrée. Un dispositif 140 de traitement des données de températures 30 des eaux grises mesurées et de contrôle de l'ouverture desdites vannes fait également partie du système d'aiguillage. La répartition de l'eau grise suit le principe suivant : l'unité comprend n compartiments de stockage, chaque ième compartiment (i=1 à n) est destiné à stocker une eau grise présentant une température Ti, ou une température appartenant à une 3024724 5 plage Pi de températures, qui peut être prédéterminée. La température Ti, ou la plage Pi de températures, du ième compartiment de stockage étant inférieure à celle du i-lème compartiment, ledit système d'aiguillage est apte à répartir les flux d'eaux grises par compartiment de stockage en fonction de la température de l'eau grise. A cet effet, le 5 système d'aiguillage est prévu pour répartir les flux d'eaux grises dans le compartiment présentant la température Ti, ou la plage de températures Pi, la plus élevée, parmi les compartiments de stockage présentant une température Ti, ou une plage de températures PI inférieure à celle de l'eau grise entrante dans ladite unité et circulant entre l'entrée 101 et les vannes 110, 111 et 112. 10 Dans l'exemple illustré sur la Fig.1, le compartiment 103 est destiné à stocker une eau grise dont la température est comprise dans une plage P103, par exemple de 25 à 30°C inclus ou toute température supérieure à 25 °C. La vanne 110 est prévue pour s'ouvrir lorsque la température de l'eau grise est incluse dans cette plage. Le compartiment 104 est prévu pour stocker une eau grise dont la température est 15 comprise dans une plage P104, par exemple de 20 à 24°C inclus. La vanne 111 est prévue pour s'ouvrir lorsque la température de l'eau grise est incluse dans cette plage. Le compartiment 105 est quant à lui prévu pour stocker une eau grise dont la température est comprise dans une plage P105, par exemple de 12 à 19°C inclus ou toute température inférieure à 19 °C. La vanne thermostatique 112 est donc prévue 20 pour s'ouvrir lorsque la température de l'eau grise est incluse dans cette plage. Les compartiments 103, 104, 105 communiquent entre eux par l'intermédiaire de trop-pleins 126, 127, du compartiment de stockage 103 associé à la plage de températures la plus élevée P103 jusqu'au compartiment de stockage 105 associé à la plage de températures la plus faible P105. 25 L'unité 100 comprend encore un réseau de circulation pour eau propre 113 prévu pour faire circuler une eau propre, arrivant par exemple du réseau de distribution de la ville, depuis l'entrée 102 jusqu'à une sortie 121 matérialisée par exemple par un dispositif de stockage tel qu'un chauffe eau. Chaque compartiment de stockage, tel que le compartiment de stockage 103, 30 contient des réservoirs échangeurs, tels que les réservoirs échangeurs 130 à 132. Ces réservoirs échangeurs se trouvent disposés en série sur le réseau de circulation pour eau propre 113. Les parois de ces réservoirs échangeurs autorisent un échange thermique entre deux liquides. Chaque réservoir échangeur se présente sous la forme d'un tube en acier inox, en verre, en polycarbonate ou en plastique dont la paroi 3024724 6 externe est recouverte d'un biofilm BF comportant des bactéries de type aérobies. Les compartiments de stockage 104 et 105 contiennent également des réservoirs échangeurs de même nature, 133, 134, 135 et 136, 137, 138, respectivement. Le réseau de circulation de l'eau propre 113 permet la circulation depuis l'entrée 5 pour eau propre 102 jusqu'à la sortie pour eau propre 121, en traversant les réservoirs échangeurs 130 à 138. Plus précisément, l'eau propre traverse les réservoirs échangeurs 138, 137, 136 contenus dans le compartiment de stockage 105 associé à la plage de températures de l'eau grise P105 la plus faible, jusqu'aux réservoirs échangeurs 130, 131, 132 contenus dans le compartiment de stockage 103 associé à la 10 plage de températures de l'eau grise la plus élevée P103, c'est à dire dans le sens croissant de la température de l'eau grise. L'unité 100 comporte encore un moyen 122 prévu pour générer de l'air comprimé et le distribuer à l'intérieur de chaque compartiment 103, 104, 105. Il s'agit dans ce mode de réalisation, d'un surpresseur ou compresseur d'air qui est relié à 15 chaque compartiment 103, 104, 105 par l'intermédiaire de conduits tels que le conduit 123. Le conduit 123 comprend des diffuseurs 124, tels que des buses, aptes à délivrer l'air dans l'eau contenue dans les compartiments. L'air apporté est utilisé par les bactéries aérobies des biofilms BF. L'unité 100 comporte encore un condenseur 125 en communication avec 20 l'entrée pour eau propre 102 et en amont des réservoirs échangeurs 130 à 138 se trouvant sur la circulation de l'eau propre. Un moyen 128 permettant d'une part, la récupération de l'air vicié et humide, émanant de la dégradation de la matière organique par les bactéries aérobies dans chaque compartiment de stockage 103, 104, 105 et, d'autre part, l'acheminement dudit gaz jusque dans le condensateur 125 est en 25 outre prévu. Ce moyen 128 se compose de conduits 128a, 128b, 128c. Le fonctionnement de l'unité de recyclage des eaux grises 100 est maintenant décrit dans ce qui suit. Prenons l'exemple du fonctionnement d'une unité 100 installée pour le recyclage de l'eau d'une maison, en particulier de l'eau utilisée pour des bains, des 30 douches et de la vaisselle. A la suite de ces utilisations, les eaux sont vidangées et qualifiées d'eaux usées ou d'eaux grises. Suite à une utilisation telle qu'un bain et au déclenchement de la vidange de la baignoire, une eau grise dont la température est de 28°C arrive au niveau de l'entrée pour eau grise 101 de l'unité 100. Sa température est mesurée par la sonde de 3024724 7 température 141. Les mesures des températures des eaux grises déjà stockées dans les compartiments 103, 104, 105, par les sondes de température 144, 145, 146 indiquent que le compartiment 103 présente la plage de températures la plus élevée, parmi les compartiments de stockage présentant une plage de températures inférieure à celle de 5 l'eau grise entrante dans l'unité. Le dispositif 140 autorise l'ouverture de la vanne 110 pour diriger le flux d'eaux grises à l'intérieur du compartiment 103. Les vannes 111 et 112 ne s'ouvrent pas, la température de l'eau grise étant en dehors des plages de températures P104, P105 déclenchant leur ouverture. 10 Sur le même principe et en fonction des températures d'eaux grises issues de vidanges successives, les compartiments de stockage 104 et 105 se remplissent, le système d'aiguillage composé des vannes thermostatiques 110, 111, 112 répartissant l'eau grise dans les compartiments de stockage en fonction de la température de l'eau. Dans une variante de l'invention, les plages de températures P103, 104, P105, 15 associées aux compartiments 103, 104, 105 sont prédéterminées. Lorsqu'une eau grise dont la température est de 28°C arrive au niveau de l'entrée 101, sa température est mesurée par les sondes de température 141, 12, 143. Etant donné qu'elle est comprise dans la plage de température P103 de 25-30°C associée au compartiment 103, le dispositif 140 autorise l'ouverture de la vanne 110 pour diriger le flux d'eaux grises à 20 l'intérieur du compartiment 103. Les vannes 111 et 112 ne s'ouvrent pas, la température de l'eau grise étant en dehors des plages de températures P104, P105 déclenchant leur ouverture. Dans cette variante, le même principe est utilisé que dans le mode de réalisation précédent : le compartiment 103 présente la plage de températures la plus élevée, parmi les compartiments de stockage présentant une plage 25 de températures inférieure à celle de l'eau grise entrante dans l'unité. Parallèlement à la vidange d'eau grise, et suite aux puisages d'eau, de l'eau propre provenant du réseau de distribution d'eau public pénètre dans l'unité 100 par l'entrée 102. Cette eau propre traverse le condenseur 125, puis les réservoirs échangeurs 136, 137 et 138 du compartiment de stockage 105. Cette eau propre peut 30 être qualifiée de « froide » et présente une température inférieure à celle de l'eau grise dans le compartiment 105. Un transfert de calories s'effectue entre les deux liquides et l'eau propre gagne quelques degrés. L'eau propre va continuer son trajet en fonction des puisages déclenchant la circulation et traverser les réservoirs échangeurs 133, 134, 135 du compartiment de stockage 104. L'eau propre présente une température 3024724 8 inférieure à celle de l'eau grise du compartiment 104 et un transfert de calories s'effectue entre les deux liquides. L'eau propre gagne encore quelques degrés. La circulation continue jusque dans les réservoirs échangeurs 130, 131, 132 du compartiment 103 où l'eau propre gagne encore quelques degrés. 5 L'eau propre sort du compartiment 103 pour ensuite pénétrer à l'intérieur du surpresseur d'air 122. La température de l'air comprimé produit par le fonctionnement du surpresseur 122 est par exemple comprise entre 45-50°C, soit plus élevée que celle de l'eau propre. Un transfert de calories s'effectue ici encore au profit de l'eau propre, au moyen d'un échangeur de chaleur 122a. 10 L'eau propre sort du surpresseur 122 et pénètre à l'intérieur du chauffe-eau 121. L'eau arrivant dans le chauffe-eau 121 présente déjà une telle température que cela permet de générer une économie de 50% sur la consommation d'énergie du chauffe-eau, par rapport au fonctionnement classique d'un chauffe-eau qui serait rempli par une eau arrivant directement du réseau de distribution public. 15 D'un autre coté, l'air sortant du surpresseur 122 est acheminé à l'intérieur des compartiments de stockage 103, 104 et 105 par les conduits 123 et les buses 124 de manière à alimenter en oxygène les bactéries du biofilm BF. Le temps de contact moyen des eaux grises avec les biofilms BF est de l'ordre d'une journée. Ce temps de séjour est suffisant pour assurer une dégradation des matières organiques solubles 20 présentes dans l'eau grise par les bactéries. D'autre part, les matières grasses présentes dans les eaux usées s'accumulent en partie haute des compartiments, et sont ainsi consommées par les bactéries. Le gaz produit par la digestion bactérienne est chargé en humidité et est acheminé dans le condenseur 125 par l'intermédiaire du moyen de récupération 128. Il 25 y est refroidi et condensé pour préchauffer l'eau propre en amont des réservoirs échangeurs de chaleur. Pour ce faire, l'air humide transite par un serpentin 129, en contact avec l'eau au niveau de l'entrée 102, par exemple immergé dans le condenseur 125. Le trop-plein d'eaux grises du compartiment de stockage 103 se déverse dans le 30 compartiment de stockage 104 par l'intermédiaire de la conduite 126. Il se produit un réchauffement de l'eau du compartiment 104 par transfert de calories. En effet, l'eau se déversant présente une température supérieure à l'eau grise stockée dans le compartiment 104. Le même phénomène s'observe entre les compartiments 104 et 105, par déversement du trop-plein du compartiment 104 au compartiment 105. 3024724 9 L'eau propre circule ainsi à contre-courant par rapport à l'eau grise, du compartiment de stockage associé à la plage de température la plus faible vers le compartiment de stockage associé à la plage de température la plus élevée, se réchauffant au fur et à mesure de son trajet. 5 L'unité peut également comprendre un moyen de récupération des boues issues de la dégradation de la matière organique. L'unité comprend également une sortie pour eaux grises en communication avec une réserve extérieure 160. Cette eau grise peut, par exemple, quitter l'unité 100 et être prise en charge par un réseau public de récupération des eaux. 10 Dans une variante de l'invention, l'unité peut comprendre un moyen de filtration et/ou de désinfection de l'eau grise de manière à réutiliser cette eau devenue propre. Dans ce cas, l'unité comporte une sortie pour eau grise 141 en communication avec l'entrée pour eau propre 102. REVENDICATIONS1) Unité (100) de recyclage des eaux grises comportant : - au moins une entrée pour une eau grise (101), - au moins une entrée pour une eau propre (102), - n compartiments de stockage pour eaux grises (n>=2), chaque compartiment (103, 104, 105) comportant une entrée (107, 108, 109) en communication avec ladite ou chaque entrée pour eaux grises (101) par l'intermédiaire d'un système d'aiguillage (110, 111, 112), chaque ième compartiment (i=1 à n) étant destiné à stocker une eau grise présentant une température Ti, ou une température appartenant à une plage Pi de températures, la température Ti ou la plage Pi de températures du ième compartiment de stockage étant inférieure à celle du i- 1 ème compartiment et supérieure à celle du i+lème compartiment, ledit système d'aiguillage étant apte à répartir les flux d'eaux grises par compartiment de stockage en fonction de la température de l'eau grise, - chaque compartiment de stockage (103, 104, 105) contenant en outre au moins un réservoir échangeur (130, 131, 132 ) prévu pour être traversé par une eau propre, - un réseau de circulation faisant circuler l'eau propre (113) dans les réservoirs échangeurs depuis l'entrée pour eau propre (102) et le nème compartiment de stockage (105) jusqu'au ième compartiment de stockage (103). - un système d'aiguillage prévu pour répartir les flux d'eaux grises dans le compartiment présentant la température Ti, ou la plage de températures Pi, la plus élevée, parmi les compartiments de stockage présentant une température Ti, ou une plage de températures PI, inférieure à celle de l'eau grise entrante dans ladite unité. 2) Unité (100) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit système d'aiguillage est composé, d'une part, d'un système d'aiguillage d'eaux grises tel que des vannes (110, 111, 112) asservies à des sondes (144, 145, 146) de mesure de température de l'eau grise contenue dans les compartiment de stockage et à des sondes (141, 142, 143) de mesure de température de l'eau grise entrant dans l'unité (100)), chaque entrée (107, 108, 109) de chaque compartiment de stockage (103, 104, 105) étant munie d'une desdites vannes, et d'autre part, d'un dispositif (140) de traitement des données de températures des eaux grises mesurées et de contrôle dudit système d'aiguillage d'eaux grises, tel que lesdites vannes. 3024724 11 3) Unité (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le ième compartiment de stockage (105) est en communication avec le i-1 ème compartiment de stockage (104). 5 4) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi externe desdits réservoirs échangeurs (130 à 138) est recouverte d'un biofilm (BF) comportant des bactéries aérobies. 5) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce 10 qu'elle comprend cinq, préférentiellement quatre, plus préférentiellement trois compartiments de stockage (103, 104, 105) isolés entre eux. 6) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque compartiment de stockage (103) comprend entre cinq et quatre, 15 préférentiellement trois réservoirs échangeurs (130, 131, 132). 7) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque réservoir échangeur (131 à 138) se présente sous la forme d'un tube en acier inox, en verre, en polycarbonate ou en plastique, ou autres matériaux propices à la 20 croissance de bactéries. 8) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un condenseur (122) en communication avec l'entrée d'eau propre (102) et en amont desdits réservoirs échangeurs (131 à 138). 9) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen pour générer de l'air comprimé et le distribuer à l'intérieur de chaque compartiment de stockage (103, 104, 105), tel qu'un surpresseur d'air (122), dont la chaleur de compression est utilisée pour chauffer l'eau. 10) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de récupération de boues issues de la dégradation de la matière organique des eaux grises à l'intérieur de chaque compartiment de stockage (103, 104, 105). 25 30 3024724 12 11) Unité (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen (128) de récupération du gaz émanant de chaque compartiment et d'acheminement dudit gaz jusque dans ledit condensateur (122), pour 5 y récupérer la chaleur latente de déshumidification. 12) Unité selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque compartiment de stockage (103, 104, 105) est en relation avec une réserve extérieure isolée.