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Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:
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D 03655
UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES
Faculté des Sciences Appliquées académique 2009-2010
Service Matières et Matériaux Equipe CREA-SURF
Contribution à Pélaboration d*un procédé de valorisation
des cendres volantes et des résidus d’épuration des
fumées d’incinération d’ordures ménagères
Promoteur : Prof. Marc Degrez
Université Libre de Bruxelles
003433130
Thèse de doctorat défendue par Aurore De Boom en vue de l’obtention du titre de Docteur en Sciences de l’Ingénieur
CousUltUtlOfl (biffez la mention inutile)
INTERDITE
Sisaâtum :
i
valorisation des cendres volantes et des résidus d’épuration des fumées d’incinération d’ordures
ménagères
Prof. Marc Degrez
U.L.B. — Faculté de Sciences Appliquées - CP 165/63 avenue F.D. Roosevelt 50, 1050 Bruxelles — Belgium Courriel : [email protected]
Couverture :
Image de cendres volantes de chaudière obtenue au microscope électronique (1000 x)
R em erciem en ts
Je remercie tout d’abord le Professeur Marc Degrez, promoteur de ce travail, pour son enseignement.
J’adresse également mes remerciements au Professeur Marie-Paule Delplancke pour m’avoir accueillie dans son laboratoire.
Je tiens à remercier Monsieur Joseph Joannès pour l’aide et les conseils qu’il m’a apportés.
J’ai pu bénéficier d’avis éclairés de la part de Monsieur Christian Lucion et d’un accueil sympathique et efficace de la part de son équipe ; je remercie donc Monsieur Lucion et ses
collaborateurs.
Un stage dans une unité d’accueil, le laboratoire d’Hydrométallurgie et Environnement de rinstituto Superior Técnico de Lisbonne, a également été réalisé. Les professeurs Jorge de Carvalho et Joana Neiva Correia ont veillé à ce qu’il se passe dans de bonnes conditions et je les
en remercie.
Plusieurs travaux d’étudiants ont été réalisés dans le cadre de cette recherche. Ces projets ou mémoires ont été l’occasion d’échanges nouveaux et constructifs. J’espère que Christophe Pequet, Angèle Abou’Ou, J ulia Comas et Albert Bagô ont également retiré des expériences positives de leur travail respectif. Les résultats de leurs recherches ont été incorporés au présent
manuscrit.
Derrière cette thèse, se cachent aussi mes collègues et amis qui m’ont aidée au quotidien, à Bruxelles, à Lisbonne et à Nivelles, pratiquement et moralement, tant pour le travail de
recherches que pour les heureux événements de la vie.
Depuis toujours et, en l’occurrence, au cours de ces quatre dernières années, j’ai également pu compter sur le soutien et les encouragements intensifs de ma famille et de mes proches.
Merci à tous.
A chaque instant, au jour le jour, depuis de nombreuses années et pour beaucoup d’autres encore j’espère, il y a celui avec qui je partage ma vie et, entre autres, le bonheur d’être parent.
Table des matières
Tabledesmatières... I Abréviations... VII RESUME... IX SUMMARY... X PUBUCATIONS... XI
Introduction...1
Remarquespréliminaires... 3
I. PREMIERE PARTIE : DES ORDURES MENAGERES AUX REFIOM...5
1.1 Introduction...5
1.2 Les DECHETS... 6
1.2.1 Cadre législatif... 6
1.2.1.1 Définitions...6
1.2.1.2 Catégories de déchets... 7
1.2.1.3 Hiérarchisation des déchets... 7
1.2.2 Les Ordures Ménagères (OM)...8
1.2.2.1 Définition...8
1.2.2.2 Caractérisation...9
1.2.2.3 Quantités...12
1.2.2.4 Gestion et traitements...13
1.3 Valorisationenergetiquedesorduresmenageres... 16
1.3.1 Législation... 16
1.3.2 Aperçu global d’une UIOM...17
1.3.3 Technologies... 18
1.3.3.1 Prétraitement des déchets...18
1.3.3.2 Fours...18
1.3.3.3 Récupération de l’énergie...19
1.3.3.4 Traitement desfumées...20
1.3.3.5 Résidus...23
1.4 Les REFIOM - GENERALITES... 25
1.4.1 Origine...25
1.4.2 Caractéristiques...25
1.4.2.1 Morpholoÿe...25
1.4.2.2 Granulométrie...26
L4.2.3 Composition...26
1.4.2.4 Minéra/offe...32
1.4.2.5 Teneur en humidité...33
1.4.2.6 Perte au feu...33
1.4.2.7 Masse volumique...34
1.4.3 Réactivité des REFIOM... 35
1.4.3.1 Aspectsphpsico-chimiques de la lixiviation...35
1.4.3.2 pH et capacité de neutralisation...36
1.4.3.3 Tes réactions de vieillissement...38
1.4.3.4 Tests de lixiviation...39
1.4.3.5 Uxiviation de certains éléments...40
1.4.4 Facteurs influençant les caractéristiques des REFIOM... 43
1.4.4.1 Déchets traités...43
1.4.4.2 Type de four...44
1.4.4.3 Conâtions de combustion...44
1.4.4.4 Présence de réactifs...45
1.4.4.5 Te traitement desfumées...46
1.4.5 Gestion des REFIOM... 47
1.5 Traitementdes REFIOM... 48
1.5.1 Aperçu général... 48
1.5.2 Techniques de séparation... 50
1.5.2.1 Biolixiviation...50
1.5.2.2 Tarage à l’eau...51
1.5.2.3 Uxiviation...57
1.5.2.4 Séparations physiques...61
1.5.2.5 Techniques de récupération de sels et de métaux en solution...62
1.5.2.6 Extraction électrochimique...64
1.5.3 Stabilisation/Solidification (inertage)...66
1.5.3.1 Stabilisation...66
1.5.3.2 Solidification...70
1.5.4 Traitements thermiques... 77
1.5.4.1 Vitrification etfusion...78
1.5.4.2 Frittage (sintering)...79
1.5.5 Quelques procédés complets de traitement des REFIOM...79
1.5.5.1 Pecupyl...79
1.5.5.2 Revasol...79
1.5.5.3 Solatech...80
1.5.6 Potentialités de valorisation...81
1.6 Conclusion... 82
Introductionalapartieexperimentale...85
II. DEUXIEME PARTIE ; DIVERSITE DES REFIOM...89
11.1 Introduction...89
11.2 DescriptionMACROSCOPIQUE... 90 -II-
11.3 GRANULOMETRIE... 92
11.3.1 Méthode...92
11.3.2 Résultats...92
11.4 CompositiondesREFIOM... 93
11.4.1 Aperçu général... 93
11.4.2 REFIOM de différentes UIOM... 95
11.4.2.1 Incinérateur avec ékctrofiltre...96
11.4.2.2 Incinérateur sans ékctrofiltre...97
11.4.3 REFIOM provenant d’appareUs semblables...98
11.4.4 Variabilité temporelle... 101
ILS CapacitéDE NEUTRALISATION...103
11.5.1 Méthode...103
11.5.2 Résultats... 103
11.6 TestdelixiviationEN 12457/1...104
11.6.1 Méthode... 105
11.6.2 Résultats...106
11.6.2.1 Aperçu général...106
11.6.2.2 Cendres volantes de chaudière de l’UlOM B1 (CVC 1)...108
11.6.2.3 Cendres volantes de chaudière de l’UlOM B4 (CVC 4)...109
11.6.2.4 Résidus d’électrofiltre de IVIOM B4 (RE 4)...110
11.7 Discussionetconclusion...111
III. TROISIEME PARTIE : DES CENDRES VOLANTES DE CHAUDIERE D’INCINERATION D’ORDURES MENAGERES AUX MATERIAUX SECONDAIRES...113
111.1 CendresVOLANTES dechaudière (CVC) d’IOM en Régionwallonne ....115
111.2 SEPARATION MAGNETIQUE... 117
111.2.1 Recherche d’antériorité... 117
111.2.2 Voie sèche... 119
111.2.2.1 Méthode...119
111.2.2.2 Résultats...119
111.2.3 Voie humide... 129
111.2.3.1 Méthode...129
111.2.3.2 Résultats...131
111.2.4 Estimations en Région wallonne...139
111.2.5 Discussion et conclusion... 141
111.3 SEPARATION GRANULOMETRIQUE... 142
I1I.3.1 Recherche d’antériorité...142
m.3.2 Echantillons... 143
m.3.3 Voie sèche... 143
111.3.3.1 Méthode...143
111.3.3.2 Résultats...144
I1I.3.4 Voie humide...148
111.3.4.1 Méthode...148
ni.3.4.2 Résultats...148
111.3.5 Essais de comportement à la lixiviation...153
III. 3.5.1 Méthode...153
III.3.5.2 Résultats...153
111.3.6 Discussion et conclusion... 155
111.4 SOLUBIUSATION DES REFIOM EN MIUEU AQUEUX...157
111.4.1 Solubilisation au cours du temps... 158
111.4.1.1 Méthode...158
111.4.1.2 Résultats...158
111.4.2 Influence de la tempéramre et du rapport L/S...159
111.4.2.1 Méthode...159
111.4.2.2 Résultats...160
111.4.3 Lavages successifs... 162
111.4.3.1 Méthode...162
111.4.3.2 Résultats...163
111.4.4 Recyclage de la solution de lavage...165
111.4.4.1 Méthode...165
111.4.4.2 Résultats...166
111.4.5 Discussion et conclusion... 167
111.5 MODEUSATION d’unlavageacontre-couranten 3 ETAPES DE REFIOM BRUTS...169
111.5.1 Schéma du modèle et notation...169
111.5.2 Hypothèses... 170
111.5.3 Données et inconnues... 170
111.5.4 Résolution...171
111.5.4.1 D’après les hypothèses...171
III. 5.4.2 Bilan en solide et sels dissous...171
111.5.4.3 Bilan en eau...171
III. 5.4.4 Détermination des inconnues...171
111.5.5 Exemples... 172
111.5.6 Discussion et conclusion... 172
111.6 Solubilisationdes CVC ensolutiondense... 174
m.6.1 Méthode... 174
TH.6.1.1 Echantillons...174
111.6.1.2 Détermination de la composition d’une solution dense...174
111.6.2 Résultats... 176
111.6.3 Discussion et conclusion...177
111.7 Séparation Granulometriqueen Solution Dense (SGSD) des CVC...178
111.7.1 Echantillons... 179
111.7.2 Récapitulatif des essais de SGSD... 179
111.7.3 Granulochimie en solution dense... 180
m.7.3.1 Méthode...180
111.7.3.2 Résultats...181
111.7.4 Lavage de trois fractions granulométriques obtenues par SGSD...188
ni.7.4.1 Méthode...188
- IV -
III.7.4.2 Résu/tats...190
m.7.5 SGSDà38nm... 197
111.7.5.1 Méthode...197
m.7.5.2 Résultats...198
III.7.6 Discussion et conclusion...201
111.8 MODELISATION D’UN LAVAGE A CONTRE-COURANT D’UNE FRACTION HUMIDE DE CVC... 202
111.8.1 Schéma et notation...203
111.8.2 Hypothèses... 204
111.8.3 Données et inconnues... 204
111.8.4 Résolution... 205
111.8.4.1 D'après les hypothèses...205
111.8.4.2 Bilan en sels thssous...205
111.8.4.3 Bilan en eau...205
111.8.4.4 Détermination des inconnues...206
111.8.5 Choix du nombre de colonnes et d’étages... 206
111.8.5.1 Données utilisées pour la modélisation... ;...207
111.8.5.2 Modification du nombre de colonnes...207
111.8.5.3 Modification du nombre d'étages...209
111.8.6 Essais visant à vérifier le modèle... 210
111.8.6.1 Résultats de la modélisation...210
111.8.6.2 Méthode...212
111.8.6.3 Résultats...214
111.8.7 Discussion et conclusion...225
111.9 Essaisenvuedelavalorisationdefractionsde CVC... 227
111.9.1 Extraction de composés de Pb... 227
111.9.1.1 Méthode...228
111.9.1.2 Résultats...229
111.9.1.3 Discussion et conclusion...230
111.9.2 Incorporation dans du ciment... 231
111.9.2.1 Méthode...231
111.9.2.2 Résultats...232
111.9.2.3 Discussion et conclusion...234
111.10 Valorisation DES CVC...235
111.10.1 Proposition de schémas de valorisation... 235
111.10.2 Spécifications en vue de la construction d’une unité de traitement des CVC d’IOM... 241
111.10.2.1 Alimentation en CVC...241
111.10.2.2 Séparationgranulométrique en solution dense (SGSD)...242
111.10.2.3 Séparation liquide-solide...242
111.10.2.4 Lavage...243
111.10.2.5 Précipitation...244
111.10.2.6 Epuration des solutions...244
111.10.2.7 Pompes...244
111.10.2.8 Récapitulatif...246
III. 10.3 Valorisation des CVC en Région wallonne... 248
IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES...251
Annexes... 257
Annexai. Techniques analytiques... 257
Annexe 2. Description du traitement des fumées des UIOM... 259
Annexe 3. Analyse semi-quantitative des REFIOM... 262
Annexe 4. Test EN 12457/1 sur REFIOM bruts... 276
Annexe 5. Séparation magnétique en voie sèche... 277
Annexe 6. Séparation magnétique en voie humide... 291
Annexe 7. Séparation granulométrique en voie sèche... 298
Annexe 8. Séparation granulométrique en voie humide...306
Armexe 9. Influence du rapport L/S et de la température...314
Atmexe 10. Lavage en deux étapes avec recyclage... 316
Annexe 11. Modélisation d’un lavage à contre-courant en trois étapes... 317
Annexe 12. Solubilisation des CVC en solution dense...320
Annexe 13. Granulochimie en solution dense des CVC 1...320
Annexe 14. SGSD à 38 et 150 pm... 325
Annexe 15. Modélisation d’un lavage à contre-courant...330
Annexe 16. Essai d’extraction de Pb... 331
Annexe 17. Incorporation dans du ciment... 332
Bibliographie...333
-VI-
Abréviations
AAS APC BFA CEEW CEN CET CVC CVF Drire
EC EDTA EPA lAWG IBGE
IBN IBW ICP-AES ICP-MS lOM ISWA JO
L/S MIOM MSWI n.d.
OCDE
Atomic Absorption Spectroscopy Air Pollution Control
Boiler Fly Ashes
Cellule Etat de l'Environnement Wallon Comité Européen de Normalisation Centre d’Enfouissement Technique Cendres Volantes de Chaudière Cendres Volantes de Four
Direction régionale de l’Industrie, de la Recherche et de l’Environnement (France)
European Commission
Acide Ethylènediaminetétraacétique U.S.A. Environmental Protection Agency International Ash Working Group
Institut bruxellois pour la Gestion de l’Environnement (Bruxelles- Environnement)
Institut Belge de Normalisation Intercommunale du Brabant Wallon
Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy
Incinération d’Ordures Ménagères International Solid Waste Association
Journal officiel (des Communautés européennes) Liquide/Solide
Mâchefers d’incinération d’Ordures Ménagères Municipal Solid Waste Incinération
non détecté
Organisation de Coopération et de Développement Economiques
OM Ordures Ménagères
PCDD Polychlorodibenzo-/)-dioxines
PCDF Polj'chlorodibenzofurannes
PCI Pouvoir Calorifique Inférieur
RA Résidus d’Atomiseur
RE Résidus d’Electrofiltre
REFIOM Résidus d’Epuration des Fumées d’incinération d’Ordures Ménagères
RFM Résidus de Filtre à Manches
R.W. Région wallonne
SEM-EDX Scanning Electron Microscopy - Energy Dispersive X-ray SGSD Séparation Granulométrique en Solution Dense
SGVH Séparation Granulométrique en Voie Humide SGVS Séparation Granulométrique en Voie Sècbe
STA Simultaneous Thermal Analyzer
TCLP Toxicity Characteristic Leaching Procedure
TEQ Toxic Equivalent Quantity
tpm Tour par minute
TS Taux de madère sèche
UIOM Usine d’incinération d’Ordures Ménagères XANES X-ray Absorption Near Edge Structure
- VIII -
Résumé
D’après les limites d’acceptation pour la mise en décharge des déchets, les REFIOM (Résidus d’Epuration des Fumées d’incinération d’Ordures Ménagères) sont considérés comme déchets dangereux, car Us libèrent des quantités importantes de chlorures et de métaux lourds lorsqu’Us entrent en contact avec de l’eau. Ces solides doivent par conséquent être traités avant leur mise en décharge. A côté des traitements visant l’acceptabilité des REFIOM en décharge, quelques recherches entrevoient la possibilité de valoriser ces résidus, notamment dans des matériaux cimentaires.
Les recherches présentées ici s’inscrivent dans cette tendance nouvelle et \dsent l’élaboration d’un procédé combinant traitement et valorisation des REFIOM.
Les REFIOM représentent en fait différents tjpes de résidus provenant des installations que rencontrent les fumées issues de l’incinération des déchets. La composition des résidus diffère selon leur origine. Il est dès lors apparu essentiel de considérer chaque n-pe de résidu séparément et de poursuivre l’élaboration d’un traitement sur un seul qpe de REFIOM. Nous avons choisi de concentrer les recherches sur les Cendres Volantes de Chaudière (CVC), ces résidus se retrouv'ant dans tout incinérateur.
Le traitement des CVC est basé sur l’extraction de fractions valorisables et la séparation de fractions contaminées, permettant d’obtenir des résidus acceptables en décharge ou, idéalement eux-mêmes valorisables.
Une séparation magnétique permet d’extraire environ 10% en poids des CVC mais ne semble pas exploitable dans le cadre du traitement des CVC car les particules magnétiques contiennent des impuretés (composés non magnétiques) et que le résidu final reste contaminé.
Une étude de la répartition des éléments en fonction de la taille des particules (^anulochimie) est effectuée sur les CVC. Il apparaît intéressant de séparer la fraction inférieure à 38 |um obtenue lors d’une séparation granulométrique, effectuée en voie humide en utilisant une solution dense.
En effet, cette fraction semble être nettement plus contaminée en Pb (soluble) que le reste des CVC. Une telle séparation constitue dès lors la première étape du traitement des CVC. Elle est suivie par des étapes de lavage des fractions obtenues, visant à extraire les sels solubles (chlorures et métaux). Les lavages sont envisagés à contre-courant afin d’utiliser au mieux l’eau de lavage.
Une recirculation interne des solutions est également prévue, de sorte que, théoriquement, le procédé ne génère pas d’effluents liquides. Une étape de précipitation de composés métalliques (PbS dans ce cas-ci) est prévue après le lavage des boues.
Le procédé de traitement des CVC produirait ainsi des boues et des granulats décontaminés, des sels et des précipités métalliques. Seules certaines étapes du procédé ont été investiguées en laboratoire ; des essais supplémentaires sont encore nécessaires pour optimiser chaque étape, comprendre les phénomènes physico-chimiques qui se produisent et assurer des filières de valorisation.
Summary
Municipal Solid Waste Incinération (MSWI) fly ashes and Air Pollution Control (APC) residues are considered as hazardous waste according to the limits for the acceptance of waste at landfiUs, because high amounts of chlorides and heavy metals leach from the solids when those are in contact with water. These residues hâve thus to be treated before they can be accepted in landfiU.
Several treatments aim to Hmit the leaching of the residues. Beside these treatments, some research Works go further the treattnent and consider the valorisation of MSWl fly ashes and APC residues, e.a. in cementitious materials.
The présent work follows the new trend and aims to build up a process that combines treatment and valorisation of MSWI fly ashes and APC residues.
MSWI fly ashes and APC residues corne from the devices encountered by the flue gases from waste incinération. The residues composition differs according to their origin. It seems thus essential to consider each ty^pe of residues separately and to develop the treatment only on one sort of residue. Boiler Fly Ashes (BFA) were chosen because they exist in every modem MSWI plant.
The BFA treatment is based on the extraction of valorisable fractions and on the séparation of contaminated fractions, which makes the final residues less hazardous; these final residues would then be acceptable in landfill, or, even better, be valorisable.
A magnetic sorting extracts ~10% (wt.) of BFA; however, such a séparation would not be useful in a treatment process because the magnetic particles contain some impurities (non magnetic particles) and the final residue is still hazardous.
The répartition of the éléments according to the particles size has been studied on BFA. It seems interesdng to separate the BFA at 38 pm by a wet sietdng process using a dense solution. The lower fraction présents a higher contamination in Pb (soluble) than the larger. Consequently, the first step of the BFA treatment consists of a wet sieving. Washing steps follow the sieving and aim to extract soluble salts (chlorides, heavy metals). These washings work in a counter-current way to optimise the use of water. The solutions are recycled in the process, which implies the absence of liquid effluents. A précipitation step of some metallic compounds (PbS in this case) is foreseen after the washing of the lower fraction.
The BFA treatment process would produce decontaminated sludge and coarse fractions, salts and metallic compounds. Some steps of the process hâve been investigated at lab-scale; further studies are necessary to optimise each step, to understand the observed reactions and to guarantee valorisation channels.
-X-
Publications
Les recherches réalisées au cours de ce travail ont mené aux publications suivantes :
^ De Boom, M. Degrez, 2007, Etat de l’art des traitements des résidus d’épuration des fumées d’incinération d’ordures ménagères (REFIOM), Déchets Sciences et Techniques n°47, p. 4-11.
^ De Boom, M. Degrez, J. de Carvalho, MJ. Correia, 2007, Eixiviation acide de résidus d’épuration des fumées d’incinération d’ordures ménagères (REFIOM), Déchets Sciences et Techniques n°48, p. 30-35.
^ De Boom, 2007, Etude préalable à l’élaboration d’un traitement des REFIOM : Caractérisation, séparation et comportement à la solubilisation de ces résidus solides (mémoire d'études approfondies en Sciences Appliquées, prix Jeunes de la SIM 2007).
De Boom, M. Degrez, 2007, Characterisation of different fractions obtained from Air Pollution Control Residues from Municipal Solid Waste Incinération with a view to valorising them, Proceedings of the llth International Waste Management and LandfiU Symposium (Clagiari, Italy).
> De Boom, M. Degrez, 2008, Magnetic and sit^e-based séparation ofMSWIfly ashes, Proceedings of the 2nd International Conférence on Engineering for Waste Valorisation (Patras, Greece).
^ De Boom, M. Degrez, 2009, Washing of different sis^fractions from municipal solid Waste incineratorfly ashes, Proceedings of the 12th International Waste Management and LandfiU S3’mposium (CagUari, Italy).
Introduction
Les déchets et leurs traitements appartiennent au quotidien de tout à chacun. Il semble dès lors crucial de considérer la gestion des déchets dans un monde qui apparaît aujourd’hui comme fragile et instable, afin de préserver les ressources et de limiter les impacts des activités humaines sur l’environnement. Cette démarche s’inscrit dans le contexte de l’essor du développement durable. Ce principe a été consacré en 1992 dans le rapport de la Conférence des Nations Unies sur l’Environnement et le développement qui s’est tenue à Rio. Depuis lors, la protection des ressources naturelles et la lutte contre le réchauffement climatique sont devenues des défis mondiaux et devront rester des priorités des autorités, mais aussi de chaque individu, afin de préserver un avenir décent aux générations futures.
La gestion des déchets est indubitablement un des maillons du développement durable. En Europe, comme nous le verrons, des politiques de gestion des déchets sc sont établies à différents niveaux de décision et, dans le cadre d’une hiérarchisation des déchets, préconisent généralement la prévention, comme première solution à la production de déchet. Le déchet qui n’a pu être évité est ensuite dirigé préférentiellement vers la réutilisation ou le recyclage. La valorisation énergétique, comprenant donc l’incinération avec récupération d’énergie, se situe après ces options de valorisation « matière » et prédomine sur l’élimination.
Malgré qu’elle ne soit pas « la » priorité en matière de gestion des déchets, l’incinération avec récupération d’énergie mérite que l’on s’y attarde. En effet, en Europe, la mise en décharge est encore fortement répandue. Des alternatives à cette mise en décharge devront être instaurées prochainement pour répondre aux priorités fixées par les autorités. Pour les déchets non recyclables, la valorisation énergétique reste une solution efficace, réduisant fortement le volume des déchets et permettant d’utiliser l’énergie qu’ils contiennent. De plus, les installations de traitement des fumées assurent aujourd’hui des rejets gazeux « environnementalement corrects » . Néanmoins, l’Incinération d’Ordures Ménagères (lOM) et autres déchets apparentés produit des résidus solides : les MIOM (Mâchefers d’incinération d’Ordures Ménagères) et les REFIOM (Résidus d’Epuradon des Fumées d’incinération d’Ordures Ménagères, reprenant les cendres volantes et les résidus d’épuration des fumées).
Les mâchefers ont trouvé leur utilité comme matériau de remblais, sous-couche routière ou encore d’autres applications bien particulières en génie civil. Généralement, une étape de maturation confère aux mâchefers les propriétés requises pour leur utilisation. La lixiviation de certains composants est particulièrement étudiée et suivie.
Actuellement, les REFIOM sont, dans la plupart des cas, traités avant leur mise en décharge pour déchets dangereux. La lixiviation de certains de leurs composants, principalement les chlorures et des métaux lourds, est responsable de leur caractère dangereux. Les traitements actuels visent donc à réduire cette lixiviation. Néanmoins, la mise en décharge des REFIOM n’est pas une solution durable. Non seulement des espaces sont condamnés ou nécessiteront d’importants travaux de réhabilitation; mais, de plus, des composés solides, contenant des composés
potentiellement valorisables, sont enfouis et deviennent quasiment irrécupérables. Un autre avenir pourrait cependant voir le jour pour les REFIOM
Les travaux de recherche présentés ici ont été réalisés dans le cadre d’un projet First Europe, financé principalement par la Région wallonne et, en partie, par le Fonds social européen.
Ce projet visait initialement la valorisation des métaux issus des REFIOM. 11 est assez vite apparu que les REFIOM étudiés contenaient trop peu de métaux pour être considérés comme de véritables minerais. Cependant, les REFIOM contiennent beaucoup d’autres composés qui pourraient être valorisés. De nombreuses recherches s’intéressent ainsi aujourd’hui à l’incorporation de REFIOM dans des matrices cimentaires. Mais, avant une telle valorisation, il semble essentiel de traiter les REFIOM, de leur enlever leurs sels solubles et de limiter la solubilisation des métaux qu’ils renferment. Comment ? Nous avons exploré plusieurs pistes pour répondre à cette question. La ligne directrice de ces recherches se base sur la séparation.
Séparation des REFIOM dès leur production, séparation magnétique des REFIOM, séparation granulométrique des REFIOM, séparation de sels solubles des REFIOM par lavage à contre- courant.
Ces techniques ne sont pas en elles-mêmes novatrices, mais bien leur application aux REFIOM et surtout, à un type de REFIOM sélectionné en vue de la valorisation d’une fraction du solide ou de son entièreté.
Ce travail comporte trois parties. La première remonte à l’origine des REFIOM, les ordures ménagères et leur valorisation énergétique. Elle comporte également des généralités sur ces résidus et présente un état de l’art de leur traitement. La deuxième partie fournit une caractérisation de REFIOM prélevés en Région wallonne, en Région flamande et au Portugal (dans le cadre d’une collaboration avec l’instituto Superior Técnico de Lisbonne). L’exposé des caractéristiques de différents REFIOM met en avant la diversité de ces résidus. Enfin, la troisième partie reprend les expériences réalisées lors de l’exploration des pistes de séparation des REFIOM pouvant mener à leur valorisation totale ou partielle.
Ce travail nous mène à proposer un schéma de valorisation des cendres volantes de chaudière d’IOM. De nombreux paramètres restent encore à affiner pour que ce schéma devienne un pilote et une installation réelle, mais les bases sont posées. Cependant, nous pouvons nous demander si les ordures ménagères seront encore incinérées dans un certain nombre d’années, vingt ans par exemple, et si, dans vingt ans, ces déchets seront encore contaminés par des métaux. Arriverons- nous à bâtir d’ici vingt ans un monde sans déchet ? Peut-être, grâce à des procédés de recyclage comme celui que nous proposons, qui transformeront tout déchet en produit...
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Remarques préliminaires
Nous tenons à mettre en évidence certaines limitations de ce travail.
Les REFIOM sont réputés pour contenir des concentrations relativement élevées en certains composés organiques toxiques, tels que les dioxines et les furannes. Néanmoins, nous ne développerons pas cette problématique dans ce travail.
Afin d’estimer la qualité des lixiviats, les concentrations mesurées en solution sont comparées aux valeurs dictées par la norme européenne pour la mise en décharge (JO, 2003). Ces limites ne sont donc pas immuables et pourraient être modiflées, probablement restreintes, afin de diminuer encore l’impact des décharges. Les conclusions tirées à partir de ces comparaisons sont donc temporellement et géographiquement relatives. Une autre approche, plus généraliste, poutrait se baser sur des limites plus absolues, telles que des mesures de toxicité, ce qui permettrait d’anticiper d’éventuels changements des limites légales ; néanmoins, cet aspect n’a pas été envisagé dans ce travail.
'C Parmi les éléments limités pour la mise en décharge, nous nous sommes essentiellement intéressés à As, Ba, Cd, Ci, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb et Zn.
Les chlorures ont été mesurés « qualitativement », à l’aide de tigettes graduées. La concentration de ces anions étant généralement largement supérieure aux limites autorisées (limite maximale de 17 g/kg, soit 8,5 g/L pour un rapport Liquide/Solide (L/S) de 2 L/kg), il ne nous a pas semblé nécessaire de rechercher une précision analytique pour leur quantification.
Il est difficile de savoir sous queUe(s) forme(s) sont les éléments qui composent les REFIOM ou les solutions qui en résultent. C’est pourquoi, les éléments sont généralement mentionnés sous leur forme « élémentaire », sans précision de leur état d’oxydation ou du composé auquel ils appartiennent.
Nous signalons également au lecteur que la signification des abréviations utilisées est reprise aux pages VII et VIII, après la Table des Matières.
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La lixiviation est définie comme étant le passage en solution d'une fraction soluble qui était assotiée à une phase solide, insoluble et perméable (Peny and Green, 1997) (voir aussi 1.4.3.1, p.35).
De nombreux traitements des REFIOM ont été étudiés par différents laboratoires d’Europe, d’Asie et d’Amérique du Nord, parfois associés à des entreprises. Afin de donner un aperçu général des tendances dans le domaine, les résultats d’essais décrits dans la littérature sont repris ici et analysés. Plus que leur traitement, la valorisation des REFIOM est aujourd’hui envisagée.
Nous terminons donc cette première partie par un recensement des techniques de valorisation des REFIOM.
1.2 Les déchets
Qu 'est-ce qu 'un déchet l De quoi les déchets sont-ils composés ? Que deviennent-ils ?
Afin de fournir des éléments de réponses à ces questions, nous reprenons ici la législation européenne concernant les déchets et leur gestion, ainsi qu’une description générale des ordures ménagères, source des REFIOM.
1.2.1 Cadre législa df
Au niveau européen, la récente directive 2008/98/CE (JO, 2008) établit des définitions et des lignes directrices en matière de gestion des déchets. Comme elle abroge certains points de textes législatifs précédents, nous nous baserons essentiellement sur cette directive.
I.2.1.1 Définitions
Selon la directive 2008/98/CE, un déchet est défini comme « toute substance ou tout objet dont le détenteur se défait ou dont il a l'intention ou l'obligation de se défaire ». Prenant en compte le fait qu’un déchet peut être valorisé, cette directive prévoit également des conditions dans lesquelles un déchet cesse d’être un déchet.
De plus, cette même directive fournit la définition de plusieurs termes clés en matière de gestion des déchets :
gestion des déchets ; « la collecte, le transport, la valorisation et l'élimination des déchets, j compris la surveillance de ces opérations ainsi que la surveillance des sites de décharge après leur fermeture et notamment les actions menées en tant que négociant ou courtier »,
traitement : « toute opération de valorisation ou d'élimination, j compris la préparation qui précède la valorisation ou télimination »,
valorisation : « toute opération dont le résultat principal est que des déchets servent à des fins utiles en remplaçant d'autres matières qui auraient été utilisées à une fin particulière, ou que des déchets soient préparés pour être utilisés à cette fin, dans tusine ou dans (ensemble de téconomie »,
recyclage : «■ toute opération de valorisation par laquelle les déchets sont retraités en produits, matières ou substances auxfins de leurfonction initiale ou à d'autres fins ».
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élimination : « toute opération qui n'est pas de la valorisation même lorsque ladite opération a comme conséquence secondaire la récupération de substances ou d'énerge ».
I.2.1.2 Catégories de déchets
Une liste des déchets reprise dans la directive 2001/118/CE (JO, 2001) a été établie, basée sur la source des déchets (procédés chimiques, industries du bois, déchets de construction, ...) ; vingt catégories principales ont ainsi été identifiées. Deux catégories interviennent dans le cadre de ce travail, la catégorie 19 concernant « les déchets provenant des installations de gestion des déchets, des stations d'épuration des eaux usées hors site et de la préparation d'eau destinée à la consommation humaine et d'eau à usage industriel » et la catégorie 20 reprenant « les déchets municipaux (déchets ménagers et déchets assimilés provenant des commerces, des industries et des administrations), y compris les fractions collectées séparément ».
1.2.1.3 Hiérarchisation des déchets
La directive 2008/98/CE établit une «hiérarchie des déchets» à appliquer dans le cadre de la prévention et de la gestion des déchets. Il s’agit d’un classement des comportements à adopter préférentiellement face aux déchets.
En matière de gestion des déchets, les actions suivantes, énoncées par ordre de priorité, doivent donc être entreprises :
1) La prévention,
2) La préparation en vue du réemploi, 3) Le recyclage,
4) Une autre valorisation, notamment la valorisation énergétique, 5) L’élimination.
1.2.2 Les Ordures Ménagères (OM) I.2.2.1 Définition
Les déchets ménagers correspondent stricto sensu à tous les déchets produits par les ménages.
D’après la terminologie utilisée en Région wallonne (CEEW, 2007) illustrée à la Figure 1.2-1, les Ordures Ménagères (OM) correspondent à une fraction « non-grossière » des déchets ménagers (pratiquement, les poubelles des ménages).
Déchets ménagers en Région wallonne
* Cataire dtehets ne prov«rant pas de Tacth^ usuele des ménages peuvot être assimilés aux déchets ménagas.
ORDURES MENAGERES
FRACTION GROSSIERE DES DECHETS
MENAGERS
C«iK0ptioii : C£M
ORDURES MENAGERES BRUTES
(tout venant) ORDURES MENAGERES (collectées sélectivement)
>PMC
> papiers cartons
> verres
> rtéchats organiques INERTES (briquallons, vaisselle..)
ENCOMBRANTS (électroménagers, métaux, meubles..) DECHETS VERTS (déchets de jardin) Figure 1.2-1 : Définition des déchets ménagers (CEEW, 2007)
Afin de favoriser le réemploi et le recyclage, ces ordures sont de plus en plus collectées sélectivement, le tout-venant non recyclable d’une part et certaines fractions recyxlables d’autre part. Dans la pratique, les déchets ménagers sont habituellement mélangés à des déchets dits assimilés produits par des commerces, administrations et entreprises diverses. La masse totale de déchets à gérer est donc souvent identifiée comme des déchets municipaux.
Comme nous l’avons vu, les déchets municipaux sont repris à la catégorie 20 de la décision 2001/118/CE. 11 est intéressant de noter que l’existence de collectes sélectives est prise en compte dans cette liste. En effet, la catégorie 20 contient trois sous-catégories, à savoir les fractions collectées séparément telles que le verre et le carton, les déchets de jardin et de parcs et les « autres déchets municipaux ». Parmi ces autres déchets municipaux, sont notamment classés les déchets municipaux collectés en mélange.
A côté de ces catégories législatives, il est courant de parler d’ordures ménagères, particulièrement dans le cas de l’incinération. Fondamentalement, l’expression consacrée « incinération des ordures ménagères » est inexacte puisque l’entrée des incinérateurs est généralement constituée de déchets municipaux collectés en mélange et de déchets industriels banals. Ceci met en évidence la difficulté d’utiliser une terminologie précise en matière de déchets, la nature exacte de ceux-ci étant totalement liée au système de collecte et de gestion en général.
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8%
□ Déchets organiques de cuisine
H Plastiques, métaux, cartcxis à boisson et autres déchets complexes
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□ Verres
■ Huiles et déchets spéciaux (0,2%)
□ Autres
Graphique 1.2-1 : Composition des ordures ménagères brutes en Région wallonne (2003-2004) (CEEW, 2007)
Des quantités importantes de plastiques, métaux, cartons à boissons ainsi que de papiers et cartons se retrouvent également dans les ordures tout-venant. Comme le signale un récent rapport de la Région wallonne (CEEW, 2007), la présence de ces matières est attribuable au fait que, d’une part, seuls certains plastiques sont actuellement recyclés et, d’autre part, que les papiers qui se retrouvent dans les ordures tout-venant sont généralement souillés et impropres au recyclage. Notons encore que les ordures ménagères contiennent également des textiles, qui correspondent principalement à des textiles sanitaires (langes,...).
I.2.2.2.3 Composition chimique
Les données concernant la composition chimique élémentaire des déchets sont assez rares, du fait de la difficulté de les obtenir. Quelques concentrations sont reprises au Tableau 1.2-1. Vu les origines diverses d’où peuvent provenir les déchets, la plupart des éléments sont susceptibles de rentrer dans leur composition. Parmi tous les éléments, il est particulièrement important de souligner la présence de Cl et de métaux lourds car ils constituent l’origine principale de la problématique du traitement des résidus d’incinération.
Les déchets contiennent également une quantité importante d’humidité ; la quantité d’eau dépasse généralement un tiers en poids des déchets : 37,1% (Weigand et al, 2003) ; 32-52% (Kumara and Goel, 2009).
* Les plastiques envoyés vers des filières de recj'clage sont : les polyéthylènes téréphthalates (PET), les polyéthylènes à haute densité (HDPE), les chlorures de polyvinyle (PVC) et le polystyTène expansé (frigolite). Les plastiques suivants ne sont pas collectés sélectivement : les emballages en polyéthylène à faible densité (LDPE), les sacs et films plastiques et les emballages en polypropylène (PP) (CEEW, 2007).
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