Propriétés physico-chimiques

1.2.1. Caractérisation de la phase solide

• Principaux constituants chimiques – formule chimique

D’après les campagnes de caractérisation de déchets, notamment MODECOM™ en France, les principaux composants de déchets sont les putrescibles, les papiers et cartons, les complexes, les textiles, les textiles sanitaires, les plastiques, le verre, les métaux, et divers inclassables (Tableau II-1). Connaissant les compositions chimiques de ces matériaux, il est possible de dégager les principaux constituants chimiques majeurs des OM (Tchobanoglous et al., 1993 ; Rouez, 2008). L’enquête MODECOM™ donne pour la France (Ademe, 1993) :

- carbone : 33.4% de la masse ou matière sèche (MS) ;

- hydrogène : 4.4% MS ;

- chlore : 1.4% MS ; - azote : 0.73% MS ; - soufre : 0.28% MS.

Il s’agit là surtout des constituants principaux de la matière organique, mais aussi des constituants de certains plastiques (chlore), et d’éléments métaux en quantité moindre (inférieure à 0.1% : cuivre, zinc, plomb, manganèse, chrome…). Tout comme pour les effluents liquides, les rapports entre différents éléments peuvent permettre de caractériser la biodégradabilité du substrat, et un rapport C/N/P optimal serait de l’ordre de 100/5/1 (Gourdon, 2001).

De nombreux auteurs font appel à des formules chimiques approchées empiriques pour essayer de quantifier de façon stoechiométrique les réactions de biodégradation (Cossu et al., 1996 ; Haarstad, 1997 ; Durmusoglu et al., 2005 ; Chenu, 2007 ; Themelis et Ulloa, 2007). Ces formules ne prennent généralement en compte que la matière organique solide dégradable, ou, pour certaines, assimilent le déchet à un composé organique de base comme le glucose.

La formule chimique empirique suivante a été considérée pour la partie organique des déchets par certains auteurs (Durmusoglu et al., 2005) :

N O H

C_{99 149 59} [II-19]

D’autres auteurs (Themelis et Ulloa, 2007) considèrent une formule séparée pour les putrescibles (C6H9,6O3,5N0,28S0,2) et une autre pour les papiers-cartons (C6H9.6O4.6N0.036S0.01). Quoi qu’il en soit, ces différentes formules chimiques sont des approximations qui servent principalement à estimer les productions de biogaz, mais d’autres indicateurs de la composition des déchets selon la nature de leur matière sont utilisés plus fréquemment.

• Indicateurs physico-chimiques

On exprime généralement les indicateurs biochimiques en fraction de la matière sèche (MS) du déchet. La teneur en MS (kg/kg) est définie par :

t d

M

M

MS =

Elle est déterminée expérimentalement par séchage à l’étuve. D’après l’Equation II-5, on a de plus : MS

La matière sèche est constituée de matière organique (MO) et de matière minérale (MM). La MO constitue généralement 50 à 70% de la MS (Aguilar-Juarez, 2000). La MO est souvent assimilée à la matière volatile (MV), déterminée, après séchage normalisé, par calcination à hautes températures (500°C pendant 4 heures) (Gachet, 2005 ; Rouez, 2008). A cette température, la totalité de la MO est considérée oxydée et le résidu de l’oxydation est assimilé à la MM.

La MO contient de la matière organique oxydable (MOO) et de la matière inerte (MI). La MOO est déterminée par des réactions d’oxydation chimique (Gachet, 2005). De ces réactions, on peut également tirer la MI qui correspond au résidu de l’oxydation chimique.

De nombreux autres indicateurs biochimiques de la matière peuvent être définis. En particulier, l’analyse chimique des principaux éléments est souvent pratiquée. Nous n’évoquerons ici que l’analyse concernant le carbone. Pour cet élément, on définit le carbone total (CT) qui se décompose en carbone organique total (COT) et en carbone inorganique total (CIT). L’évaluation de la biodégradabilité et du potentiel méthanogène seront présentés ultérieurement (§ II-1.3.2.).

1.2.2. Caractérisation de la phase liquide

• Principaux constituants chimiques

La phase liquide contenue dans les déchets est constituée des lixiviats, liquides qui ont migré à travers un massif de déchets et qui contiennent des substances solubles, en suspension et dissoutes provenant de matériaux issus des déchets (Camobreco et al., 1999). Les lixiviats sont une solution aqueuse contenant quatre polluants majeurs (Kjeldsen et al., 2002) :

- des substances organiques dissoutes, quantifiées notamment par la demande chimique en oxygène* (DCO) ;

- des macro composés inorganiques composés d’ions majeurs ; - des métaux lourds comme le zinc, le plomb, le cadmium, le nickel ;

- des composés organiques xénobiotiques qui peuvent être notamment des hydrocarbures, des phénols, des pesticides.

Les lixiviats sont composés à plus de 99% d’eau, c’est pourquoi dans la plupart des travaux sur les déchets, la phase liquide (notée l) est assimilée à de l’eau (notée w). Parmi les éléments les plus présents, outre l’hydrogène et l’oxygène de l’eau, on trouve assez logiquement les mêmes éléments que dans la phase solide : carbone, hydrogène, azote, chlore, métaux principalement.

• Indicateurs physico-chimiques

L’analyse des lixiviats se base sur un grand nombre de paramètres. Nous n’évoquerons ici que les plus pertinents dans le cadre de ce travail :

- potentiel hydrogène – pH (adimensionnel) : ce paramètre est généralement proche de la neutralité, mais il donne une indication sur la biodégradation ;

- conductivité électrique (mS/cm) : généralement très élevée, elle donne une indication sur la lixiviation des matériaux constitutifs du déchet. Elle peut poser des problèmes pour certaines mesures électriques ou géophysiques dans les déchets (§ III-1.1.) ;

- la demande chimique en oxygène (DCO en g/L O2) et la demande biochimique en oxygène (DBO ou DBO5 lorsqu’elle est évaluée à 5 jours, en g/L O2) sont des indicateurs importants pour quantifier le risque de pollution pour l’environnement, le rapport DBO sur DCO est quant à lui un bon indicateur de la biodégradabilité ;

- certaines concentrations en ions majeurs comme NH4 +

, Cl^-, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NO3

(mg/L) permettent de caractériser un risque spécifique de pollution ou d’inhibition de la biodégradation, voire un risque de colmatage des drains de lixiviats (François et al., 2006).

Tableau II-9 : valeurs de quelques paramètres physico-chimiques de lixiviats relevées dans la littérature.

Auteurs pH (-) Conductivité (mS/cm) DCO (g/L O2)

El-Fadel et al., 1997 1.5-9.5 0.5-72.5 0-89.5 Kjeldsen et al., 2002 6.1-8.0 2.5-35.0 0.1-152.0 François et al., 2006 7.2-8.0 - 0.1-7.0 François et al., 2007 5.5-8.0 - 0.1-60.0 Jun et al., 2007 6.7 10.6 2.3 Olivier et Gourc, 2007 7.5-8.5 7.0-25.0 - Zhang et al., 2008 7.4-7.8 - 1.2-1.6 Zhao et al., 2008 5.9 24.0-30.0 20.0-30.0

D’autres paramètres, comme la température, le potentiel d’oxydo-réduction, l’absorbance aux ultra-violets, sont également fréquemment mesurés. En outre, on mesure souvent la quantité de matières en suspension (MES), qui donne une idée globale de la pollution du lixiviat, tous composés confondus.

• Valeurs types relevées dans la littérature

Le Tableau II-9 donne quelques valeurs de pH, de conductivité et de DCO relevées dans la littérature. Les valeurs varient assez fortement d’un auteur à l’autre, les très larges gammes données par El-Fadel et al. (1997) et Kjeldsen et al. (2002) proviennent d’une étude de nombreuses références et non de mesures directes par les auteurs.

1.2.3. Caractérisation de la phase gazeuse

• Principaux constituants chimiques

Le biogaz produit par les déchets est composé majoritairement par du méthane CH4, du dioxyde de carbone CO2, d’eau sous forme de vapeur et de composés en traces (Arigala et al. 1995 ; Reinhart et Townsend, 1997 ; Lo et al., 2010). Durant la phase majoritaire de biodégradation, la méthanogénèse (§ II-1.3.1.), les proportions respectives de CH4 et CO2 sont d’environ 60% et 40%. Ces valeurs peuvent parfois être inférieures sur site, avec une teneur en méthane plutôt proche de 50% et une présence de diazote N2, voire de dioxygène O2, d’hydrogène sulfuré H2S et de composés organiques volatils (COV) (Themelis et Ulloa, 2007).

La teneur en COV du biogaz de certains essais réalisés au LTHE sur les cellules CICLADE a été entreprise en 2008 et est présentée en Figure II-9. Il apparaît une forte variabilité en fonction de l’état de dégradation, et des quantités traces non négligeables, mais comparables à l’atmosphère que l’on peut rencontrer en milieu urbain (Manoukian, 2009).

Mis à part le méthane et le dioxyde de carbone, les autres éléments gazeux sont indésirables de par leur nature dangereuse pour l’environnement ou les installations de traitement du biogaz. Le biogaz contient également de l’eau sous forme de vapeur, il est généralement saturé. Les quantités en jeu sont toutefois limitées compte tenu de la courbe de rosée de l’air saturé : même à une température de 50°C, le biogaz saturé ne contiendra qu’environ 98 mL d’eau pour 1 m³ de gaz (Bellenfant, 2001).

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