Calcination des sédiments de dragage contamines. Etude des propriétés physico-chimiques

Ramaroson Jocelyn

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Extrait

Tables des matières

Tables des matières Nomenclature..................................................................................................11 Introduction générale......................................................................................15 I. Synthèse bibliographique.........................................................................21  I-1Les sédiments de dragage.......................................................................................21  I-1.1Origine et nature des sédiments.......................................................................21  I-1.2La problématique des sédiments de dragage...................................................23  I-1.2.1Le dragage..............................................................................................23  I-1.2.2La réglementation relative à la gestion des sédiments de dragage........24  I-1.2.2.1La réglementations internationales et européennes...................25  I-1.2.2.2La réglementations nationales...................................................28  I-1.2.3Le devenir des sédiments dragués.........................................................28  I-1.2.3.1Les mises en dépôts..................................................................28  I-1.2.3.2Le lagunage...............................................................................29  I-1.2.3.3Remblaiement et construction d’îles artificielles.....................29  I-1.2.3.4Les dépôts sous-marins confinés..............................................29  I-1.2.3.5La valorisation des déblais de dragage.....................................29 I-1.3 Caractéristiquesgéochimiques et minérales des sédiments.............................30  I-1.3.1 Lesargiles...............................................................................................30  I-1.3.2Les carbonates........................................................................................31  I-1.3.3Les constituants organiques....................................................................31  I-1.4Caractérisation des polluants rencontrés dans les sédiments...........................33  I-1.4.1Les métaux lourds...................................................................................33  I-1.4.1.1L’arsenic (As) ...........................................................................34  I-1.4.1.2Le cadmium (Cd) ......................................................................34  I-1.4.1.3Le chrome (Cr)..........................................................................34  I-1.4.1.4Le mercure (Hg) .......................................................................35  I-1.4.1.5Le plomb (Pb) ...........................................................................35  I-1.4.1.6Le zinc (Zn) ..............................................................................35  I-1.4.2Les matières organiques .......................................................................35

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 I-1.4.2.1Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)............36  I-1.4.2.2Le polychlorobiphényls (PCB) ...............................................37  I-1.4.2.3Les tributylétains (TBT) ..............................................37  I-1.4.3Les sulfures..........................................................................................37  I-1.5Traitement des sédiments de dragage contaminés........................................38  I-1.5.1Pré-traitements et traitements des sédiments de dragage pollués........38  I-1.5.1.1Pré-traitements.........................................................................38  I-1.5.1.2Traitements physiques et physico-chimiques..........................39  I-1.5.1.3Traitements chimiques............................................................39  I-1.5.1.4Traitements biologiques..........................................................39  I-1.5.1.5Traitements thermiques...........................................................40   I-1.5.2Traitements combinés : Le procédé NOVOSOL..............................42   I-1.5.2.1Le principe du procédé NOVOSOL.....................................42  I-1.5.2.2Les filières de valorisations du sédiment traité par le procédé   NOVOSOL..........................................................................46  I-1.6Conclusion....................................................................................................47  I-2Les évolutions physico-chimiques de la matière organique et de la matrice  minéraledu sédiment pendant le traitement thermique.............................48  I-2.1Introduction...................................................................................................48  I-2.2Comportement de la matière organique.......................................................48  I-2.2.1Décomposition thermique de la matière organique............................48  I-2.2.2Les émissions des polluants pendant le traitement thermique............50  I-2.3Comportement de la matrice minérale.........................................................51  I-2.3.1Généralités sur le frittage thermique...................................................51  I-2.3.2Les différentes étapes et les mécanismes dufrittage thermique.........52  I-2.3.2.1Elaboration des ponts..............................................................54  I-2.3.2.2Elimination de la porosité.......................................................57  I-2.3.2.3Fin du frittage ............................................................58  I-2.3.2.4Densification..............................................................59  I-2.3.2.5Conséquence du frittage surl’évolution de la surface  spécifique...................................................................61  I-2.3.3Les moyens expérimentaux pour la caractérisation du frittage...........63  I-2.4Conclusion....................................................................................................64

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II. Caractérisationdes sédiments...............................................................67 II-1 Introduction............................................................................................................67 II-2 Caractérisationschimiques.....................................................................................67 II-2.1 Préparationdes échantillons............................................................................67  II-2.2Détermination de l’humidité totale.................................................................68 II-2.3 Déterminationdu pH.......................................................................................69 II-2.4 Dosagedes éléments métalliques....................................................................70 II-2.5 Extractionséquentielle....................................................................................71 II-2.6 Déterminationdes teneurs en composés organiques ......................................75 II-3 Caractérisationsphysiques.....................................................................................76 II-3.1 Mesurede la masse volumique ......................................................................76 II-3.2 Mesurede la surface spécifique......................................................................76 II-3.3 Déterminationde la distribution granulométrique..........................................76 II-3.4 Déterminationdes phases cristallisées par la Diffraction par Rayon X..........77 II-4 Caractérisationsthermiques....................................................................................79 II-4.1 Analysesthermogravimétriques (ATG/DSC) ................................................79 II-4.2 Analysedilatométriques du lit du sédiment lors de la calcination..................81 II-4.3 Mesuredu pouvoir calorifique (PCS et PCI)..................................................82 II-5 Tableaurécapitulatif des caractéristiques des sédiments phosphatés.....................83 II-6 Conclusion..............................................................................................................84 III. Propriétés physico-chimiques du sédiment phosphaté pendant la  calcination...............................................................................................87 III-1 Introduction............................................................................................................87  III-2Comportement de la matière organique et des métauxlourds pendant la  calcination.............................................................................................................87 III-2.1 Comportementde la matière organique......................................................87 III-2.1.1 Protocoleexpérimental....................................................................87 III-2.1.2 Résultatset interprétations...............................................................88 III-2.1.3 Conclusion.......................................................................................89 III-2-2 Comportementdes métaux lourds..............................................................89 III-2.2.1 Introduction......................................................................................89 III-2.2.2 Répartitionsdes métaux lourds pendant la calcination....................89

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III-2.2.2.1 Introduction.........................................................................89 III-2.2.2.2 Protocoleexpérimental........................................................89 III-2.2.2.3 Résultatset interprétations..................................................90 III-2.2.2.3.1 Sédimentde Vraimont......................................90 III-2.2.2.3.2 Sédimentde Dampremy ....................................96 III-2.2.2.4 Conclusion.........................................................................100 III-2.2.3 Testsenvironnementaux sur les métaux lourds...............................100 III-2.2.3.1 Introduction.......................................................................100 III-2.2.3.2 Testde lixiviation sur les sédiments calcinés...................100 III-2.2.3.2.1 Matérielset méthodes......................................100 III-2.2.3.2.2 Résultatset interprétations...............................100 III-2.2.3.3 Testd’extraction séquentielle sur les sédiments calcinés.102 III-2.2.3.3.1 Matérielset méthodes.......................................102 III-2.2.3.3.2 Résultatset interprétation.................................102 III-2.2.3.4 Conclusion.........................................................................109 III-3 Comportementde la matrice minérale pendant la calcination.............................109 III-3.1 Introduction..................................................................................................109 III-3.2 Matérielset méthodes..................................................................................109 III-3.3 Résultatset interprétation............................................................................110 III-3.3.1 Evolutionde la surface spécifique ....................................................110  III-3.3.1.1Evolution de la surface spécifique en fonction de la température.........................................................................110  III-3.3.1.2Evolution de la surface spécifique en fonction du temps de calcination..........................................................................111 III-3.3.2 Evolutionde la masse volumique ....................................................114 III-3.3.3 Evolutionde la taille des grains .......................................................115 III-3.3.4 Evolutionsde la microstructure........................................................116 III-3.4 Cinétiquede frittage.....................................................................................117 III-3.5 Conclusion....................................................................................................120

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IV. Calcination du sédiment phosphaté en four tournant.....................123 IV.1 Introduction...........................................................................................................123 IV.2 Généralitéssur la technologie des fours tournants industriels..............................123 IV.2-1 Principeglobal de fonctionnement des fours tournants.................................123 IV.2-2 Lesdifférents types de tube tournant.............................................................124 IV.2-3 Lesdifférents systèmes de chauffage des fours tournants.............................125  IV.2-4Etudes théoriques du transport du solide granulaire dans les fours tournants.......................................................................................................125 IV.2-4-1 Descriptionqualitative du régime d’écoulement...............................125 IV.2-4-2 Descriptionthéorique du régime d’écoulement.................................127 IV.2-4-3 Estimationthéorique du temps de séjour ..........................................129 IV.2-5 Lesphénomènes physiques présents dans les fours tournants pendant la calcination.....................................................................................................130 IV.3 Calcinationen four tournant pilote ......................................................................132 IV.3-1 Descriptiontechniques du four .....................................................................132 IV.3-2 Descriptiondes expériences ..........................................................................135 IV.3-2-1 Les essais préliminaires avant la calcination........................................135 IV.3-2-1-1 Ecoulement de la charge........................................................135 IV.3-2-1-2 Evaluationde l’émission des poussières ..............................137 IV.3-2-2 Calcinationdes sédiments phosphatés en four tournant pilote............139 IV.3-2-2-1 Descriptiondes essais...........................................................139  IV.3-2-2-2Influence de la température sur la calcination en four tournant................................................................................140  IV.3-2-2-3Influence dutemps de séjour sur la calcination en four tournant.................................................................................142 IV.3-3 Résultatset discussion...................................................................................143 IV.3-3-1 Influencede la température..............................................................143 IV.3-3-1-1 Calcinationpar chauffage uniforme ...................................143 IV.3-3-1-2 Calcinationpar chauffage non uniforme.............................151 IV.3-3-2 Influencedu temps de séjour .............................................................155 IV.3-4 Conclusion......................................................................................................159

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Conclusion générale.....................................................................................161 Table des figures...........................................................................................163 Liste des tableaux.........................................................................................167 Bibliographie................................................................................................169

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