DST HS Thèse déchets

G5 Dual2

Description

Influence des procédés de la filière traitement thermique sur les caractéristiques et les évolutionsbio-physico-chimiques des mâchefers d’incinérationd’ordures ménagères Auteur : Eva RENDEKDirecteurs de thèse : Patrick GERMAIN (Prof.), Gaëlle DUCOM (MdC)Laboratoire d’accueil : Laboratoire d’analyses environnementales des procédés et systèmes industriels (LAEPSI)de l’Institut national des sciences appliquées (INSA) de LyonAujourd’hui en Europe, l’incinération représente le deuxième De plus, les entrants dans les incinérateurs ne sont pas toujoursmode de traitement des déchets ménagers, après la mise en exclusivement des ordures ménagères. D’autres déchets commedécharge. Les scories solides résultant de ce mode de traitement des boues de STEP, des déchets industriels, des encombrantssont appelées mâchefers d’incinération d’ordures ménagères et des déchets de démolition peuvent être incorporés. La(MIOM). qualité des MIOM dépend aussi essentiellement des conditionsLes MIOM constituent en France, un gisement de l’ordre de d’incinération, de stockage, et des éventuels prétraitements en3 millions de tonnes par an. Le tonnage de MIOM produit est amont et aval de la filière : différents types de fours, de systèmerelativement constant, ou en légère progression. En sortie de refroidissements sont utilisés, le stockage se fait à couvertd’usine, les MIOM sont stockés pour une durée de 3 à ou à l’air libre, les MIOM peuvent être criblés, déferraillés. Ces12 mois sur ...

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DÉCHETS - REVUE FRANCOPHONE D’ÉCOLOGIE INDUSTRIELLE - CAHIER SPÉCIAL DU NUMÉRO 44 - DÉCEMBRE 2006 - REPRODUCTION INTERDITE

Aujourd’hui en Europe, l’incinération représente le deuxième

mode de traitement des déchets ménagers, après la mise en

décharge.Les scories solides résultant de ce mode de traitement

sont appelées mâchefers d’incinération d’ordures ménagères

(MIOM).

Les MIOM constituent en France, un gisement de l’ordre de

3 millions de tonnes par an. Le tonnage de MIOM produit est

relativement constant, ou en légère progression. En sortie

d’usine, les MIOM sont stockés pour une durée de 3 à

12 mois sur plates-formes, en installation de maturation et

d’élaboration des mâchefers (IME). Les interactions avec l’eau,

l’oxygène et le dioxyde de carbone de l’air vont modifier leurs

propriétés physico-chimiques pendant cette période dite de

maturation, stabilisant les métaux lourds et abaissant ainsi le

potentiel polluant de ces matériaux.

L’évolution réglementaire en matière de gestion des déchets

incite à la valorisation des MIOM,notamment à leur réutilisation

en technique routière. Cette utilisation implique la plus grande

maîtrise possible des propriétés des MIOM, et passe donc par

une meilleure gestion de la chaîne de traitement qui influence

leurs caractéristiques intrinsèques, ainsi que par une meilleure

lisibilité du comportement à long terme de ces résidus. La

valorisation des MIOM est donc largement dépendante de

leur composition initiale et de leur modification pendant la

période dite de « maturation ».

Cependant, les caractéristiques physiques et chimiques de ces

déchets/matériaux sont en pleine évolution. Ces modifications

constitutives résultent de l’évolution de plusieurs facteurs

techniques et socio-économiques de la filière.

Tout d’abord la nature des

déchets incinérés se modifie.

La politique de gestion des déchets s’oriente de plus en plus

vers le tri sélectif.

De plus,les entrants dans les incinérateurs ne sont pas toujours

exclusivement des ordures ménagères.D’autres déchets comme

des boues de STEP, des déchets industriels, des encombrants

et des déchets de démolition peuvent être incorporés. La

qualité des MIOM dépend aussi essentiellement des conditions

d’incinération, de stockage, et des éventuels prétraitements en

amont et aval de la filière : différents types de fours, de système

de refroidissements sont utilisés, le stockage se fait à couvert

ou à l’air libre, les MIOM peuvent être criblés, déferraillés. Ces

paramètres sont propres à chaque unité et pourraient être

optimisés.

Afin de comprendre les paramètres influant sur la composition

et le comportement à long terme des mâchefers, six lots de

MIOM ont été sélectionnés et comparés. Les différentes usines

ont été choisies pour être représentatives de l’hétérogénéité

du parc français.

Dans un premier temps, un bilan des caractéristiques physico-

chimiques initiales des MIOM a été dressé (détermination des

composés majeurs et traces, test de capacité de neutralisation

acide,test de lixiviation normalisé avec suivi des cations par ICP-

AES, des anions par chromatographie ionique et du carbone

organique total, analyses minéralogiques par DRX).

Les résultats des analyses de composition en éléments majeurs

des mâchefers montrent que la nature des déchets entrants est

le principal facteur influant sur la composition élémentaire des

MIOM. La comparaison des différents échantillons amène

certaines réflexions quant à l’influence de certains constituants

sur les caractéristiques physico-chimiques des mâchefers.

Le verre notamment semble être un élément de première

importance, conditionnant les propriétés physico-chimiques

des MIOM. La collecte du verre fait augmenter sensiblement

le PCI des déchets incinérés.

Influence des procédés de la filière traitement

thermique sur les caractéristiques et les évolutions

bio-physico-chimiques des mâchefers d’incinération

d’ordures ménagères

Auteur : Eva RENDEK

Directeurs de thèse : Patrick GERMAIN (Prof.), Gaëlle DUCOM (MdC)

Laboratoire d’accueil : Laboratoire d’analyses environnementales des procédés et systèmes industriels (LAEPSI)

de l’Institut national des sciences appliquées (INSA) de Lyon

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En ce qui concerne le potentiel polluant des MIOM, une partie

des métaux lourds est piégée, au sein même du four dans les

phases vitreuses.La diminution de la part de verre pourrait donc

augmenter la lixiviation de ces éléments. Lors de la phase de

maturation, la part de verre incinérée, de par le silicium qu’elle

contient, peut conditionner la spéciation du calcium dans les

mâchefers et donc la réactivité de ces matériaux et leur degré

de carbonatation en fin de maturation.

L’étude a porté ensuite sur les réactions participant à leur

vieillissement. Dans un premier temps les interactions

MIOM/CO

2

lors de la phase de maturation ont été étudiées

au moyen d’un pilote de carbonatation accélérée.

Le protocole expérimental utilisé a permis d’étudier l’influence

d’un certain nombre de paramètres sur le vieillissement des

MIOM au travers de la réaction de carbonatation.

Les résultats ont confirmé que cette réaction participait

majoritairement au processus de stabilisation des mâchefers.

Elle neutralise le pH alcalin des MIOM et le ramène à une

valeur proche de 8,3. Les carbonates de calcium formés

augmentent le pouvoir tampon des mâchefers, les rendant

plus résistants aux agressions acides extérieures.

La carbonatation permet également de réduire le potentiel

polluant des MIOM en réduisant la lixiviation de certains

métaux, notamment le cuivre et le plomb, ceci étant une

conséquence directe de la baisse du pH. Les concentrations de

sulfates lixiviées augmentent cependant, et un contrôle

supplémentaire de ce paramètre, après plusieurs mois de

maturation, pourrait se révéler nécessaire. L’influence de la

chaîne de traitement des déchets sur cette réaction se fait

sentir à plusieurs niveaux. La nature des déchets incinérés est

un facteur d’importance influençant principalement le contenu

total des mâchefers obtenus. Les proportions de calcium et de

silicium semblent grandement conditionner le degré de

carbonatation des résidus. En ce qui concerne les conditions

de stockage, elles doivent assurer un certain degré d’humidité

des matériaux. Ceci est à prendre en compte notamment sur

les plates-formes couvertes ou durant les saisons chaudes et

sèches.

Enfin, l’application d’un procédé de traitement des mâchefers

par carbonatation accéléré utilisant les fumées d’incinération à

12 % de CO

2

ou le biogaz de décharge à 35 % de CO

2

à été

envisagée. Le volume de CO

2

pouvant être sequestré par les

MIOM varie entre 12 et 23 L/kg de MIOM sec. Ce procédé

pourrait présenter un certain nombre d’avantages en ce qui

concerne la gestion des stocks de MIOM et les nouvelles

réglementations sur les gaz à effet de serre.

Dans une dernière partie, l’évolution de la matière organique

résiduelle des MIOM à été étudiée sous divers aspects (tests

de demande biologique en oxygène, test de lixiviation et suivi

du carbone organique dissous, analyse thermogravimétrique et

analyses calorimétriques différentielles).

L’étude sur le carbone organique montre que, contrairement

aux MIOM provenant des fours à grille, les MIOM provenant

de fours rotatifs contiennent très peu de résidus de composés

organiques imbrûlés lixiviables. Le carbone semble se trouver

majoritairement sous forme de carbone élémentaire. Le

mouvement rotatif du four induit la formation de « boules

vitreuses » au sein de la chambre de combustion. Il est ainsi

possible qu’une partie de la matière organique soit emprisonnée

dans ces boules et ne soit plus en contact avec l’oxygène. Les

zones de pyrolyse peuvent donc être plus importantes que dans

les fours à grille.

Un des principaux facteurs pénalisant les MIOM en terme de

recyclage est le taux de matière organique résiduelle et

notamment les molécules organiques solubles. Les résultats

de l’étude montrent que le comportement de la matière

organique résiduelle est très différent d’un mâchefer à l’autre.

La qualité de la combustion influe directement sur la quantité

de matière organique résiduelle mais également sur la spéciation

de cette matière et sur la proportion de molécules solubles.

Les méthodes d’analyses couramment utilisées par les industriels

(tests de lixiviation, perte au feu) ne permettent pas d’évaluer

directement les quantités de carbone organique présent et la

fraction de ce carbone préjudiciable à la valorisation. Une

nouvelle méthodologie basée sur l’analyse thermique a été

développée au cours de ce travail. Cette méthode pourrait

fournir aux gestionnaires un moyen simple et rapide de suivi

et d’évaluation du comportement de la matière organique

résiduelle présente dans les MIOM, leur permettant ainsi de

régler et d’optimiser les paramètres de combustion.

L’analyse thermique a permis de montrer que le carbone

organique résiduel des mâchefers se distingue en deux fractions.

La première fonction montre un comportement thermique

spécifique entre 250 °C et 350 °C et est composée

essentiellement de résidus de fermentescibles et de papiers-

cartons. La seconde est oxydée aux environs de 450 °C et est

essentiellement composée de résidus de plastiques. Les

molécules solubles semblent essentiellement faire partie de la

première fraction. Les expériences de biodégradation aérobie

ont montrées que ces molécules étaient également

biodégradables à court terme. Des réactions biologiques

peuvent donc se développer au sein des mâchefers,augmentant

les quantités de composés organiques lixiviées dans

l’environnement. Ces réactions peuvent également influer sur

la maturation des MIOM et leur comportement en situation

de stockage ou recyclage.

Références

E. Rendek, G. Ducom, P. Germain. Carbon dioxide sequestration in

municipal solid waste incinerator bottom ash.Journal of Hazardous

Materials 128 (2006) 73-79.

E. Rendek, G. Ducom, P. Germain. Influence of organic matter on

MSWI bottom ash carbonation. Chemosphere, 64 (2006) 1212-

1218.

E. Rendek, G. Ducom, P. Germain. Predicting the MSWI bottom

ash behavior according to waste input and incineration process

technology. In : H. Goumans (Eds.),WASCON, sixth International

Conference on the Environmental and Technical Implications of

Construction with Alternative Materials, 1-2-3 juin 2006, Belgrade,

Serbie, pp. 161-168.

E. Rendek, G. Ducom, P. Germain. Prediction of MSWI bottom ash

organic carbon behavior: a bio-physico-chemical approach, à

paraître dans Chemosphere.

E. Rendek, G. Ducom, P. Germain. Influence of waste input and

combustion technology on MSWI bottom ash quality.A paraître dans

Waste Management.

DÉCHETS - REVUE FRANCOPHONE D’ÉCOLOGIE INDUSTRIELLE - CAHIER SPÉCIAL DU NUMÉRO 44 - DÉCEMBRE 2006 - REPRODUCTION INTERDITE