Composition, structure et granulométrie

• Un milieu triphasique évolutif

Le déchet⁹ est un milieu à granulométrie étalée avec une matrice poreuse triphasique déformable et évolutive. En ce sens, il s’agit d’un milieu très complexe et qui se distingue nettement d’un sol. La composition, la structure et, d’une manière générale, les propriétés de ce milieu se définissent ainsi à un instant donné. La plupart des études portent sur le déchet initial ou sur l’état final du déchet, les études sur son état intermédiaire étant plus délicates et souvent difficilement comparables. Les paragraphes 1.1. et 1.2. s’intéressent principalement aux caractéristiques initiales du déchet, alors que le paragraphe 1.3. aura pour objet l’évolution des caractéristiques avec la biodégradation.

Le déchet est composé par une phase solide (notée par l’indice s) ainsi que deux phases fluides qui occupent les vides (notés par l’indice v) : une phase gazeuse (notée g) et une phase liquide (notée l). La Figure II-1 présente ces différentes phases et leur évolution durant la biodégradation telle que l’envisagent la plupart des auteurs (Aguilar-Juarez, 2000 ; Kazimoglu et al., 2005b ; Hettiarachchi et al., 2007 ; Machado et al., 2008 ; Gourc et al., 2010), Vx étant le volume de la phase x, ∆Vx étant la variation de volume de la phase x et l’exposant ‘0’ indiquant l’état initial.

Figure II-1 : différentes phases composant le déchet et leur évolution en fonction de la biodégradation (Gourc et al., 2010).

• Composition typique du milieu

La phase solide est composée de matériaux divers qui peuvent être classifiés en fonction de leurs propriétés mécaniques ou de leur biodégradabilité, comme nous le verrons plus loin. L’une des caractéristiques typiques d’un déchet, par rapport à un sol, est de ne pas permettre une classification exclusivement basée sur la taille des particules. L’approche du milieu déchet sera donc multi-critères et pluridisciplinaire.

La phase gazeuse est principalement composée d’air lors de la mise en place du déchet, mais très rapidement elle se compose quasi exclusivement de biogaz produit par la dégradation des déchets. La Solide Eau Gaz V⁰ Solide Eau Gaz

Avant biodégradation Après biodégradation

∆V Vl 0 V_g⁰ ∆Vs ∆Vg Vs 0 V_v⁰

phase liquide, enfin, est composée de résidus liquides provenant de la décomposition des déchets organiques et de la lixiviation des déchets par de l’eau percolant à travers le massif de déchets, notamment si l’installation ne garantit pas une étanchéité complète vis-à-vis des précipitations (Olivier, 2003).

Comme nous l’avons vu au Chapitre I, la composition du milieu est très hétérogène et varie d’un pays à l’autre, voire au sein même du pays considéré, notamment en fonction de l’urbanisation. La plupart du temps, les déchets sont composés majoritairement de (Dixon et Jones, 2005) :

- déchets putrescibles ; - papiers et cartons ; - plastiques ; - bois ; - verre ; - métaux.

Certains éléments, dits composites, peuvent être formés par différents matériaux, comme par exemple les emballages liquides alimentaires, formés de plastique, de carton et d’aluminium. D’autres éléments en quantité moindre, comme le caoutchouc, le cuir, des particules de sol, divers déchets inertes et résidus, voire des déchets dangereux en très faible quantité peuvent également se retrouver dans les DND, objets de l’étude ici. Les compositions des déchets étant tellement variables d’un cas typique à un autre, nous reviendrons plus en détail sur les compositions détaillées des déchets étudiés en préambule à chaque étude sur un déchet particulier.

• Structure du milieu et granulométrie

La structure initiale des déchets est acquise au moment de leur dépôt dans l’alvéole. Le déchet d’un casier est hétérogène et anisotrope dans les plans horizontaux et verticaux. En raison des méthodes de dépôt et de compactage par couches, une forte stratification horizontale peut être observée (Bellenfant, 2001).

On considère généralement pour simplifier que l’anisotropie dans le plan horizontal est négligeable devant l’anisotropie dans le plan vertical, et deplus une forte stratification horizontale peut être observée (Bendz et al., 1997). En plus de la variabilité spatiale, la géométrie interne d’un casier a aussi une variabilité temporelle, due aux processus de dégradation. La structure des déchets jeunes est grossière, mais au cours de la dégradation il y a tassement et la porosité diminue (Bellenfant, 2001). La structure du milieu est en relation étroite avec sa granulométrie (Stoltz, 2009). La granulométrie est évaluée par le classement des particules en fonction de leur diamètre maximum (Dmax) ou de leur diamètre moyen. Très étudiée en mécanique des sols, parce qu’elle donne une bonne idée de l’homogénéité du milieu, elle reste difficile à comparer d’un déchet à l’autre car il n’existe pas de norme pour la déterminer, ce qui complique son utilisation comme indicateur (Berthe, 2006). De plus, sa mise en œuvre est moins aisée pour les déchets que pour les sols de par la nature non sphérique des constituants (Chenu, 2007 ; Stoltz, 2009).

Un exemple de répartition granulométrique d’une OM non dégradée aux Etats-Unis est donné sur la Figure II-2. Cette distribution montre une large prépondérance des éléments de tailles moyenne et grossière (Dmax > 10 mm), et une faible proportion de fines. On comprend la difficulté de réaliser une classification en raison de la forme de la courbe. D’autres courbes granulométriques ont des proportions de fines plus importantes (Olivier, 2003). Compte tenu de l’hétérogénéité des éléments destinés à être stockés en ISDND, l’étendue granulométrique peut être très importante sur les installations sans prétraitement. Le rapport entre éléments fins, caractérisés par le diamètre D10

10 (poussières, particules organiques, fragments) et éléments grossiers, caractérisés par le diamètre D90

(encombrants, mobilier) peut atteindre 1000 voire davantage (Olivier, 2003). La Figure II-3 montre une photographie d’un déchet broyé utilisé dans le cadre de ce travail. On constate déjà visuellement sur la photographie une forte dispersion de la granulométrie, avec des éléments très grossiers qui contrastent avec des fines, alors même que ce déchet a subi un broyage sensé homogénéiser la distribution granulométrique. L’Annexe 1 présente des photographies des déchets utilisés dans ce travail.

Figure II-2 : exemple de distribution granulométrique d’une OM broyée non dégradée sur un site Veolia Propreté aux Etats-Unis (Reddy et al., 2009). Waste Particle Size = taille des particules de déchets, Percent Finer = pourcentage de particules à diamètre inférieur.

La plupart des procédures de classification de déchets effectuent une pré-classification en terme de granulométrie. La plus couramment utilisée en France, la classification MODECOM™ (Ademe, 1993 ; 2009b), distingue les fines (Dmax < 20 mm), les particules de taille moyenne (20 < Dmax < 100 mm), et les grossières (Dmax > 100 mm).

A noter toutefois que la granulométrie des déchets stockés en ISDND pourrait être amenée à évoluer si la technique du PTMB venait à se diffuser plus largement. La conséquence en serait une augmentation de la proportion de fines, mais surtout une diminution voire une disparition de la proportion de particules les plus grossières, ce qui contribuerait à une homogénéisation du milieu, ce qui est d’une grande importance pour l’étude des flux liquides et gazeux, ainsi que l’étude du comportement mécanique.

• La question de l’échantillonnage ou du volume représentatif

La question de l’échantillonnage d’un « déchet type » est fortement liée aux aspects précités (structure et granulométrie principalement). Pour caractériser les propriétés moyennes d’un déchet, il est généralement nécessaire d’utiliser des quantités très importantes de déchets. En effet, un déchet représentatif doit offrir notamment une bonne reproductibilité de ses propriétés (Thomas, 2000). Généralement, la finalité de l’échantillonnage du déchet a pour but de réaliser une réduction de masse afin d’obtenir une prise de matière analysable. Ainsi, pour l’échantillonnage, une quantité importante est justifiée par l’hétérogénéité du milieu l’étendue de la distribution granulométrique (Olivier, 2003), et plus le déchet est hétérogène et grossier, plus la masse à prélever est conséquente, pour que l’échantillon soit représentatif.

Pour des déchets de type OM, la procédure MODECOM™ (Ademe, 1993 ; 2009b), recommande l’échantillonnage de 500 kg d’OM pendant une période normale (hors vacances et fêtes). De plus, la séparation par taille est souvent réalisée avant toute autre analyse, permettant ainsi de séparer les fractions spécifiques (Berthe, 2006)

Pour des déchets de type DIB bruts en mélange, plus hétérogènes et dont la granulométrie est supérieure à celle de l’OM, l’Ademe conseille de prélever un échantillon de 50 tonnes humides en 30 prises (Ademe, 1999).

La question de la taille de l’échantillon représentatif et de sa préparation est également fortement liée à la finalité de l’essai et à la taille de l’appareillage utilisé pour déterminer ladite propriété. Ce point sera abordé plus particulièrement lorsque seront évoquées les tailles standards des appareils expérimentaux utilisés dans la littérature et dans le cadre de ce travail.