Brevet FR3106072A1 — publié le 20210716

Système mécanique d’oxygénation par sursaturation pour lacs, lagunes et rivières. Cette machine est composée d’une plateforme(1) supportant 2 tubes : le premier(3) canalise l’eau présente en profondeur vers la surface, où une ou plusieurs pompes(5) l’accélèrent en y incorporant des bulles d’air. Le second tube(4) renvoie ce mélange à 10 mètres; si en surface on a une atmosphère de pression et 13 mg/l d’oxygène dissous à 10 mètres on en aura le double. Du fait des très faibles pertes en charges les volumes mis en circulation sont importants et grâce au phénomène de sursaturation on arrive à fixer 8 à 10 grammes d’oxygène par watt absorbé contre 1 à 2 grammes avec un système d’agitateur. Sans bruit ni nuisance quelconque, elle peut être autonome énergétiquement et installée en pleine eau sans liaison avec la berge. Elle peut être installée sur des plans d’eau isolés – d’agrément ou d’élevage – ou sur des lacs ou rivières présentant un risque d’eutrophisation. Dans une version plus puissante elle est adaptée au traitement des rejets et effluents présentant une Demande Biologique en Oxygène (DBO) ou une Demande Chimique en Oxygène (DCO) potentiellement préjudiciable à l’environnement. un système mécanique d’oxygénation par sursaturation pour les plans d’eau, lagunes, rivières La présente invention concerne un système mécanique d’oxygénation par sursaturation pour les plans d’eau, lagunes, rivières. Actuellement les systèmes d’oxygénation mécaniques fonctionnent sur le principe de l’agitation, l’eau de surface étant ainsi mise en contact avec l’atmosphère (20 % d’oxygène environ). Ils consomment beaucoup d’énergie (rendement inférieur à 2 grammes d’oxygène fixé par watt absorbé), doivent être raccordés au réseau électrique, sont bruyants et peu efficaces (l’eau présente en surface est déjà partiellement saturée). À l’inverse le système faisant l’objet de la présente demande consomme peu d’énergie (7 grammes d’oxygène fixés par watt absorbé), il peut être autonome énergiquement et son fonctionnement est indétectable à 10 mètres. Enfin il traite les masses d’eau présentes en profondeur. L’invention est composée d’une plateforme flottante immobilisée en surface par des amarres, soit reliées à des ancres soit fixées à terre. Cette plateforme est composée de quatre flotteurs en polystyrène extrudé (2) de 0m63x0m60x0m24, placés sous deux plaques d’armatures métalliques standards (2m40x1m20 mailles de 15 centimètres et fil de 7mm), éventuellement galvanisées à chaud, disposées en croix et maintenues par 4 serres câbles (1) . Une trappe de visite de 43 centimètres par 43 centimètres est découpée au milieu et fermée par un volet en grillage. 4 profilés en aluminium (alliage Ag 4) en forme de « L » (0m20x0m05x2m20 épaisseur3 mm) sont boulonnés sous le treillis et enserrent les flotteurs ceux-ci étant maintenus par 2 sangles chacun. Les dimensions de la plateforme devant être adaptées suivant le site d’implantation où dans le cas où elle supporterait une centrale photovoltaïque en cas d’autonomie énergétique. Outre un boitier électrique étanche, tous les éléments constitutifs de l’installation sont fixés aux treillis. Un premier tube (3) en grillage plastifié d’un diamètre de 0m90 à 1m20 et 3 mètres de long, pour un puisage à 4 mètres, est fixé sous la plateforme. Si il doit être plus grand on utilisera un assemblage de treillis soudés - galvanisés ou non - en fil de 3,5millimètres et mailles de 0m20x0m20. À l’extérieur de ce tube est enroulé une bâche lourde (type PVC de 0,5mm d’épaisseur ou EPDM) de 4mx4m pour un tube de 90 centimètres de diamètre ; cette bâche est munie de 5 œillets supportant 5 lestes de 500 grammes chacun sur son rebord inférieur et de 5 autres œillets sur son rebord supérieur permettant de la fixer sous la plateforme. En se déployant cette bâche exclue l’eau de surface de la machine tout en canalisant l’eau du fond vers la surface. La longueur idéale de ce premier tube est celle où l’eau présente des caractéristiques (densité/température) proches de celle de l’eau présente au fond ; 4 mètres apparaissant comme suffisant dans la majorité des cas. Le diamètre de ce premier tube est calculé pour que la vitesse d’écoulement à l’intérieur soit inférieure à 0m50 par seconde, si possible 0,10 à 0,20 mètres par seconde afin de limiter les pertes en charges. Ce premier tube exclue l’eau de surface du système car elle est peu miscible avec l’eau présente au fond (différence de densité) et présente normalement un taux d’oxygène supérieur (contact avec l’atmosphère et photosynthèse). À l’inverse l’eau présente au fond est pauvre ou dépourvu d’oxygène. Un deuxième tube (4) est suspendu à l’intérieur du premier. Son diamètre est calculé pour que la vitesse de l’eau y circulant soit inférieure à 3 mètres par seconde – idéalement de 1 à 1,5 mètres par seconde. Sa longueur idéale est de 8 à 10 mètres. À 10 mètres la pression bathymétrique est d’une atmosphère, qui s’ajoute à la pression barométrique - soit 2 atmosphères au total. La quantité de gaz dissoute est donc deux fois plus élevée qu’en surface ; la pression partielle en oxygène passe ainsi de 12 ou 15 mg/litre à 24 ou 30mg/l (suivant la température). À noter qu’une sursaturation supérieure à 100 % peut-être préjudiciable à la faune (juvéniles de poissons en particulier) surtout si l’eau revient en surface rapidement. Ce tube est suspendu au treillis métallique de la plateforme au moyen de trois élastiques (10 millimètres de diamètre), doublés de trois cordelettes lâches en sécurité, fixés au tube par trois manilles implantées sur la lèvre supérieure du tube. On fixe une amarre aux deux tiers inférieurs afin de pouvoir remonter le tube en surface en cas de besoin. La profondeur d’immersion est calculée ainsi : la surface déployée entre la lèvre supérieure du tube (4) et la surface doit être 2 fois supérieure à la surface du disque représenté par le diamètre du tube (4). Ce toujours pour limiter les pertes en charges : une profondeur insuffisante provoquant une accélération du flux au niveau de la lèvre supérieure du tube (4) et une profondeur supérieure entrainant un allongement inutile du tube de refoulement des pompes et une baisse de leur rendement. Enfin le deuxième tube (4) présente une déviation - au moins terminale - de 15° par rapport à la verticale. Cela permet d’une part une circulation régulière de la masse d’eau, à défaut on a le risque de formation d’une « bulle » où l’eau reste en circuit fermé. D’autre part le mélange eau/bulles d’air mis en circulation entraine la remontée d’une partie des bulles dans le deuxième tube (4). Ces bulles contrarient moins l’écoulement de l’eau si elles sont concentrées contre la paroi du tube. Cette déviation est obtenue soit en bridant le bout d’aide au relevage installé aux deux tiers, que l’on fixe sur le treillis de la plateforme soit par une amarre latérale reliant l’extrémité inférieure du tube (4) à une petite ancre. Le deuxième tube (4) est soit réalisé en « PVC tous usages », soit réalisé avec une membrane en PVC ou EPDM collée et rivetée aux dimensions adéquates - le tube étant maintenu ouvert par l’insertion tous les mètres d’un anneau en fil métallique inoxydable agrafé au travers de la membrane. Ce dernier montage est plus économique sur les grandes dimensions, la déviation étant obtenue en reliant par un bout les 4 derniers anneaux, bout relié à une petite ancre fixée au fond (latéralement). Le pompage : la mise en circulation de l’eau est assurée par une ou plusieurs pompes basse pression (5). Si l’installation est raccordée au réseau électrique, l’utilisation d’une pompe à hélice de 0,75 à 1 KW/H est le plus efficace (ces pompes sont disponibles chez divers fabricants). Installée verticalement dans « l’axe » approximatif du deuxième tube (4), l’arbre de transmission doit être creux et percé à son extrémité, sous l’hélice, afin que la dépression présente au niveau du cône d’hélice aspire de l’air et que l’on ait un mélange eau/air qui soit renvoyé dans le tube (4). Dans le cas d’une installation autonome énergiquement, on utilise une « petite » centrale photovoltaïque- appelée « PV » dans ce document. On a dans ce cas recourt à 2 pompes basse pression type « vide cave ». On prévoit dans ce cas 2 paniers (7) destinés à les recevoir que l’on boulonne sur le tube (4), constitués d’un anneau rigide supportant une poche en grillage polyéthylène de 6 mm de mailles. Les pompes(5) puisent l’eau entre les deux tubes, l’accélèrent, la mélangent à de l’air au moyen d’un venturi avant de la renvoyer dans le deuxième tube (4). La puissance absorbée par la première pompe (5) doit être équivalente à la production de la PV par temps couvert - soit 12à 15 % de la production en crête en pratique. La puissance absorbée par la deuxième pompe étant du double de celle de la première. Les deux conjuguées absorbant 75 % de la PV constatée par beau temps. La première pompe est commandée par une horloge, 5 heures par jour en hiver, et 12 en été (6 de 9h à 15h ,puis 4 de minuit à 4h et 2 de 6h à 8h). La deuxième pompe est mise en service par un contacteur commandé par un contact à sec présent sur l’onduleur. Ce contact à sec est programmé pour alimenter la pompe lorsque les batteries sont chargées. La figure – 3- précise la solution apportée au problème posé par le recourt aux venturis : Le phénomène est conditionné par la brusque variation de pression présente dans un tube, or notre système est basse pression. La solution mise en œuvre consiste à amener la canalisation de refoulement (sortie de pompe) en surface, puis une série de coudes (9) l’amène parallèlement à celle-ci (plus la courbe est progressive, moins on a de turbulences et donc de pertes). À ce point la dépression nécessaire au fonctionnement des venturis est minimale : une simple languette rigide(10) obstruant la moitié supérieure de la canalisation provoque une dépression suffisante à l’aval de celle-ci. La canalisation est percée 5 cm en aval de la languette, dans sa partie supérieure où l’on insère un tube métallique de 5 mm de diamètre(11). On prolonge ce tube par un tuyau en polyéthylène de 5 mm de diamètre emboité à chaud qui réalise la mise à l’air. La canalisation reste rectiligne sur 20 cm, parallèlement à la surface afin de favoriser le mélange eau/air puis 2 coudes (9) la ramènent dans l’axe approximatif du tube(4). Les diamètres de sortie de pompe sont maintenus sur toute la longueur de la canalisation, cette longueur étant minimisée autant que faire ce peu. Performances : La pertinence du système réside dans la conjugaison de trois phénomènes : Tout d’abord on oxygène de l’eau qui en contient peu ou pas, eau que l’on renvoie dans une masse d’eau aux caractéristiques proches à laquelle elle se mélange rapidement. Fait par le premier tube (3). Ensuite on réinjecte un mélange d’eau et d’air à une profondeur de 10 mètres environ, ce qui entraine une sursaturation en oxygène de 100 % en théorie (en pratique nous avons retenu 75 % pour les calculs). Fait par le deuxième tube (4). Enfin en injectant le mélange eau/air dans le tube (4) qui est lui-même immergé, on provoque un fort courant descendant dans celui- ci : une pompe de 250watt/6 mètres cubes heures (données constructeur) absorbe dans les conditions décrites ici 165 watts et refoule 7,7 mètres cubes d’eau (l’air n’a pas été mesuré). Cette injection provoque un courant descendant dans un tube PVC de 250mm de diamètre et plongeant à environ 8 mètres de 0,8 nœuds, soit environ 77 mètres cubes heures (mesurés après une heure de fonctionnement). Cette eau, si elle contient 20mgr/l d’oxygène, peut après mélange en amener quatre fois plus à 5mg/l, taux suffisant pour la faune aquatique. Les dessins annexés illustrent l’invention : La montre le schéma général de l’installation, les 4 profilés métalliques n’ont pas été représentés pour plus de lisibilité. La montre la plateforme « standard » en détail. La montre le venturi et son implantation sur le refoulement. La montre une option de montage pour un plan d’eau peu profond. La de la même façon montre une option de montage déporté hors du plan d’eau : par exemple s’il est dévolu à d’autres usages ou tout simplement navigable. Description d’une installation autonome type : installée sur un lac ou une ancienne gravière, d’une profondeur de 10 mètres ou plus, une plateforme identique à celle décrite dans la figure – 2 – est immobilisée par 3 amarres. En polyéthylène de 12 millimètres de diamètre, 2 sont reliées à 2 disques en béton de 40 centimètres de diamètre et 18 kilogrammes. Leur longueurs est de 2 fois la profondeur constatée, d’autre part on intercale 2 mètres avant chaque disque un leste, en béton lui aussi, de 2 kilogrammes environ ; ces lestes servent d’amortisseurs de clapot. La troisième amarre est fixée à terre, une gaine électrique contenant les 2 fils d’alimentation (3x 2,5 mm) y étant fixée. Dans ce cas la centrale photovoltaïque (PV) est implantée sur la berge. La centrale PV de base est composée de 4 panneaux de 300w, un onduleur de 3kw, 4 batteries de 100 A et est montée dans les règles de l’art. Une armoire métallique en 2 parties reçoit l’onduleur et 2 des 4 batteries dans une partie cadenassée, la deuxième partie est simplement fermée et reçoit les 2 autres batteries, le sectionneur PV, le tableau électrique, la minuterie et un arrêt d’urgence. Cette armoire est munie de grilles de ventilation, peinte de couleur claire côté soleil et est munie d’une plaque de mise à la terre extérieure. À noter que son dimensionnement évolue en fonction des sites, sa capacité devant être de 800w/heure par beau temps et environ 150 w/heure par temps couvert. Son objet étant de fournir l’énergie dont on a besoin et non pas le maximum d’énergie son implantation diffère de l’implantation classique en 2 points : Les panneaux sont orientés Sud/Sud-Est et pas plein Sud (hémisphère nord). Cela a pour but de favoriser le démarrage matinal de la production – les batteries ayant été sollicitées la nuit. D’autre part une orientation plein sud concentre la production en milieu de journée or on ne consomme pas cette énergie momentanément en éxès. Les panneaux sont implantés sur la berge Nord/ Nord-Ouest, afin de bénéficier de la réverbération qui augmente de façon conséquente la production (qui atteint 95 % du potentiel sur le pilote). Le premier tube (3), est réalisé en grillage plastifié (type clôture) fait 90 centimètres de diamètre et environ 3 mètres de long. Solidement fixé sous la plateforme il contribue à la stabiliser. Une bâche lourde lestée de 4 mètres par 4 mètres est déployée tout autour et isole l’installation de l’eau de surface. Le second tube (4) est en PVC tout usage de 250 millimètres de diamètre et fait environ 7 mètres 80 centimètres de long. Dans le tube initial constitué de 2 barres de 4 mètres collées et vissées on a prélevé deux bagues de 4 centimètres qui sont boulonnées de part et d’autre de la lèvre supérieure du tube (4) et qui soutiennent les deux paniers (7) en grillage polyéthylène (mailles de 6 millimètres) recevant les pompes (5). Une troisième bague de 5 centimètres est prélevée et collée dans le manchon femelle qu’elle renforce afin de réaliser la lèvre supérieure du tube (4). Outre les deux trous recevant les deux boulons (6mm, inox 316) solidarisant les paniers recevant les pompes, on perce 3 trous équidistants de 8 mm qui reçoivent les trois manilles galvanisées où sont fixées les trois suspentes élastiques (10 mm) reliées au treillis de la plateforme. Trois cordelettes lâches doublent ces élastiques en sécurité. La profondeur d’immersion est de 18 centimètres. Les deux paniers reçoivent les pompes P1 et P2 ; en hiver on utilise 2 pompes de 250w/6 mètres cubes, en été on remplace la P2 par une pompe de 500w/11 mètres cubes. Les consommations réelles relevées sont de 161 et 351 watts. Les pompes sont raccordées comme décrit précédemment. En hiver (3 mois) on a en moyenne 6 heures de pompage à 250w et 1680 mètres cubes oxygénés à 5 mg/l par jours. En inter-saison (3 mois) environ 12 heures à 250w. En mi-saison (1 mois automne et 1 au printemps) on a 6 heures de pompage à 250w et 10 à 500 w. En pleine saison on a 12 heures de chaque. On arrive à 10 tonnes d’oxygène injectées par an, essentiellement en été lorsque la photosynthèse est à son maximum tout comme les besoins en oxygène. La consommation électrique étant d’environ 1400 kw/h (l’installation pilote est à 40 km de Toulouse), bien que l’on ait pris de larges marges minimisant les performances le rendement est supérieur à 7 grammes par watt absorbé. Description d’une installation type raccordée au réseau électrique : elle est alors composée d’une plateforme du même modèle mais légèrement plus grande, les flotteurs faisant 40 centimètres d’épaisseur. Cette plateforme est immobilisée par des amarres et reliée par un câble d’alimentation électrique à l’armoire de commande à terre. L’installation peut soit être mise en route manuellement, soit être asservie à des sondes (température, oxygène dissous ou débit) qui gèrent automatiquement la mise en service. Le premier tube (3) est réalisé en treillis soudé (mailles de 0m20 par 0m20 et fil de 3,5 millimètres) éventuellement galvanisé, son diamètre est de 240 centimètres et sa longueur adaptée au site. L’eau traitée par la machine devant avoir des caractéristiques proches de celle présente à la profondeur d’injection. La bâche lourde déployée à l’extérieur est en PVC de 1mm d’épaisseur et reçoit un leste en béton de 500 grammes tous les un mètre sur son rebord inférieur. En plus d’être collée la zone de raccordement est rivetée tous les 20 centimètres. Le second tube (4) est soit en PVC s’il fait moins de 8 mètres, soit réalisé dans une bâche en PVC ou EPDM (1 millimètre d’épaisseur) comme précédemment décrit. Ce tube est maintenu ouvert par l’insertion tous les mètres d’un anneau métallique inoxydable (de 2,5 à 3,5 mm de diamètre) agrafé dans la bâche. Seuls les deux anneaux des extrémités sont réalisés avec une bande de tôle de 4 centimètres de large et 1,5 mm d’épaisseur. Cette tôle est inoxydable et pré-percée avant d’être installée, tous les 20 centimètres environ, afin de faciliter le rivetage de la bâche en plus du collage de celle-ci. Ce tube fait 0,60 mètres de diamètre minimum (s’il est en PVC), 0,65 mètres si il est en bâche. Il est immergé à 32 centimètres de profondeur. Il est suspendu par quatre élastiques (10mm) doublés de quatre cordelettes comme décrit plus haut. Les quatre derniers anneaux sont reliés par un bout attaché à une petite ancre assurant la déviation de quinze degrés nécessaires au fonctionnement de l’installation. La circulation de l’eau dans la machine est assurée par une pompe à hélice de 1 kW installée verticalement dans l’axe approximatif du tube (4). Elle est fixée sur les traverses en aluminium de la plateforme. Le volume d’eau mis en mouvement par la pompe est d’environ 85 litres par seconde, mélangée à des bulles d’air, et le volume total mis en mouvement est de l’ordre de 3000 mètres cubes par heure. Les performances varient suivant la viscosité du fluide, qui change en fonction de la salinité, de la température ou en présence de certaines algues phytoplanctoniques. Si l’injection a lieu à 10 mètres de profondeur la saturation en oxygène est de l’ordre de 25 mg/litre. Applications : Ce type d’installation est adaptée aux traitements des effluents urbains, agricoles ou industriels. On effectue le dimensionnement en fonction de la DBO/DCO constatée par la juxtaposition de plusieurs installations et en adaptant leurs temps de fonctionnement. Ce type d’appareil peut aussi être installé en vue du traitement des phénomènes d’eutrophisation estival des étangs côtiers afin de prévenir les mortalités dans les élevages aquacoles ou pour améliorer les performances des élevages en filières ou en cages suspendues. L’installation autonome décrite précédemment est elle adaptée aux lacs et plans d’eau destinés à la pêche de loisir ainsi qu’à ceux dédiés à la pisciculture. Légendes dessins / échelles Dessin 1/5 : Echelle 1/10 ème - 1 - Treillis soudé - 2 - Flotteur polysthyrène. - 3 - Tube 1 - 4 - Tube 2 - 5 - Pompe -6 - Refoulement/venturi Dessin 2/5:Echelle1/20ème - 1 - Treillis soudés - 2 - Flotteur polysthyrène - 3 - Tube1 - 4 - Tube2 - 7 - Panniers supports des pompes - 8 - Profilés aluminium Dessin 3/5:Echelle1/3 - 5 - Pompe (ici 500w/50 mm diamètre) - 9 - Coude PVC - 10 - Lamelle PVC (venturi) - 11 - Prise d’air - 4 - Tube 2 Dessin 4/5 : - 1 - Treillis soudés - 2 - Flotteurs - 3 - Tube1 - 4 - Tube2 - 5 - Pompe 13 - - 12 - Puits busé - Bouchon en béton Dessin 5/5 : - 5 - Pompe - 4 - Tube2 - 12 - Puit busé - 13 - Bouchon en béton - 14 - Arrivée d’eau - 15 - Bâche de réception - 16 - Retour vers plan d’eau Système mécanique d’oxygénation par sur- saturation, basse pression, caractérisé en ce qu’il se compose d’une plateforme supportant 2 tubes : le premier (3) canalisant l’eau présente au fond vers la surface, le second (4) canalisant cette eau mélangée à des bulles d’air à la profondeur voulue grâce à une ou plusieurs pompes (5) installées entre ces deux tubes. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier tube (3) est constitué d’une armature métallique maintenant une bâche lourde lestée qui exclue l’eau de surface de la machine tout en canalisant de l’eau présente en profondeur, eau ayant des caractéristiques (température et densité) proches de celles présentes à la profondeur de ré- injection. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le second tube (4), réalisé soit en PVC soit à l’aide d’une membrane, est suspendu à l’intérieur du premier (3) et à une longueur idéale de 8 à 10 mètres. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la circulation et l’inclusion des bulles sont assurées soit par une pompe à hélice dont l’arbre est creux afin d’utiliser la dépression naturellement présente au niveau du cône d’hélice, soit par 2 pompes centrifuge basse pression équipées de venturi. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le diamètre du premier tube (3) est calculé pour que la vitesse de circulation de l’eau à l’intérieur soit inférieur à 0,5 mètre par seconde, idéalement entre 0,1 et 0,2 mètre par seconde afin de limiter les pertes en charges. Dispositif selon les revendications 1 ou 3 caractérisé en ce que le diamètre du second tube (4) est calculé pour que la vitesse de circulation du mélange eau/bulles à l’intérieur soit inférieur à 3 mètres par seconde, idéalement entre 1,0 et 1,5 mètres par seconde afin de limiter les pertes en charges tout en assurant le transport des bulles. Dispositif selon les revendications 1 ou 3 caractérisant l’implantation du deuxième tube (4): ce tube présente une déviation de 15° avec la verticale afin d’assurer une circulation régulière de la masse d’eau et de limiter l’effet frein résultant de la remontée des bulles à l’intérieur; d’autre part sa profondeur d’immersion est calculée pour que la surface délimitée entre la surface et la lèvre supérieure du tube (4) soit du double de la surface du disque délimité par cette même lèvre supérieure ce afin d’obtenir une accélération progressive de l’eau sans allonger les systèmes d’injection du mélange eau/bulles. Dispositif selon les revendications 1 ou 4 caractérisé en ce que le système étant « basse pression » l’effet venturi, dans le cas de l’utilisation de pompes centrifuges, est obtenu par l’implantation d’une languette de PVC obstruant la moitié supérieure de la canalisation après que celle ci ait été amenée en surface ou à proximité immédiate de celle ci. Dispositif selon les revendications 1 ou 4 caractérisé en ce que dans le cas où on utilise une centrale photovoltaïque pour alimenter l’installation l’implantation des panneaux diffère de l’implantation classique (hémisphère nord). D’une part par leur orientation Sud/Sud- Est et non pas Sud afin de favoriser le démarrage matinal et donc la recharge des batteries, préalable à la mise en route de la deuxième pompe, mais aussi parce que l’on a une sur- capacité en milieu de journée qui est amplifiée par une orientation Sud. D’autre part on installe les panneaux afin qu’il y ai le maximum de surface de plan d’eau entre eux et le soleil pour profiter de la réverbération qui améliore les performances de l’installation.