Chapitre 3 : Etude du vieillissement des MIOM par carbonatation accélérée 111 1 INTRODUCTION .............................................................................................................. 112 2 DISPOSITIF EXPERIMENTAL ...................................................................................... 113 2.1 Principe des dispositifs............................................................................................................ 113 2.1.1 Le dispositif existant : la colonne ..................................................................................................... 113 2.1.1.1 Principe ..................................................................................................................................... 113 2.1.1.2 Incertitudes ............................................................................................................................... 115 2.1.2 Le nouveau dispositif : réacteur à pression contrôlée ....................................................................... 115 2.1.2.1 Principe ..................................................................................................................................... 115 2.1.2.2 Exploitation des mesures .......................................................................................................... 116 2.1.2.3 Incertitudes ............................................................................................................................... 117 2.1.2.4 Validation du nouveau dispositif .............................................................................................. 118 3 ETUDE DE L’INFLUENCE DE LA CARBONATATION ACCELEREE SUR LES MIOM .................................................................................................................................... 119 3.1 Capacité de neutralisation acido-basique ............................................................................. 120 3.2 Relargage des éléments ........................................................................................................... 121 3.2.1 Lixiviation des anions....................................................................................................................... 121 3.2.2 Lixiviation des métaux ..................................................................................................................... 122 3.3 Conclusion ............................................................................................................................... 124 4 ETUDE DE L’INFLUENCE DE DIVERS PARAMETRES SUR LA REACTION DE CARBONATATION .............................................................................................................. 125 4.1 Objectifs ................................................................................................................................... 125 4.2 Influence de la pression .......................................................................................................... 125 4.3 Influence du taux d’humidité ................................................................................................. 128 4.4 Influence du contenu total ...................................................................................................... 129 5 DISCUSSION: APPLICATION POTENTIELLE D’UN PROCEDE DE TRAITEMENT DES MIOM PAR CARBONATATION ACCELEREE ....................................................... 132 6 CONCLUSION ................................................................................................................... 134 CHAPITRE 3 : Etude du vieillissement des MIOM par carbonatation accélérée
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CHAPITRE 3 : Etude du vieillissement des MIOM par ...docinsa.insa-lyon.fr/these/2006/rendek/10_chapitre_3.pdf · dans un récipient en plastique, est introduite dans la bombe calorimétrique.
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Chapitre 3 : Etude du vieillissement des MIOM par carbonatation accélérée
2 DISPOSITIF EXPERIMENTAL ...................................................................................... 113 2.1 Principe des dispositifs............................................................................................................ 113
2.1.1 Le dispositif existant : la colonne ..................................................................................................... 113 2.1.1.1 Principe ..................................................................................................................................... 113 2.1.1.2 Incertitudes ............................................................................................................................... 115
2.1.2 Le nouveau dispositif : réacteur à pression contrôlée ....................................................................... 115 2.1.2.1 Principe ..................................................................................................................................... 115 2.1.2.2 Exploitation des mesures .......................................................................................................... 116 2.1.2.3 Incertitudes ............................................................................................................................... 117 2.1.2.4 Validation du nouveau dispositif .............................................................................................. 118
3 ETUDE DE L’INFLUENCE DE LA CARBONATATION ACCELEREE SUR LES MIOM .................................................................................................................................... 119
3.1 Capacité de neutralisation acido-basique ............................................................................. 120 3.2 Relargage des éléments........................................................................................................... 121
3.2.1 Lixiviation des anions....................................................................................................................... 121 3.2.2 Lixiviation des métaux ..................................................................................................................... 122
3.3 Conclusion ............................................................................................................................... 124 4 ETUDE DE L’INFLUENCE DE DIVERS PARAMETRES SUR LA REACTION DE CARBONATATION.............................................................................................................. 125
4.1 Objectifs ................................................................................................................................... 125 4.2 Influence de la pression .......................................................................................................... 125 4.3 Influence du taux d’humidité................................................................................................. 128 4.4 Influence du contenu total ...................................................................................................... 129
5 DISCUSSION: APPLICATION POTENTIELLE D’UN PROCEDE DE TRAITEMENT DES MIOM PAR CARBONATATION ACCELEREE....................................................... 132
- les sulfates : Anhydrite (CaSO4), Gypse (CaSO4.2H2O)
- les carbonates : Calcite (CaCO3)
Parmi ces phases, le gypse et la calcite constituent des phases reliques. Elles sont issues des
déchets et n’ont pas ou peu subi de modification pendant la combustion. Au sein du four, une
partie du gypse a été déshydratée en anhydrite et une partie de la calcite a été décomposée en
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chaux (CaO). Au moment de la trempe, la chaux s’hydrate partiellement en portlandite.
L’alite et l’anhydrite sont également partiellement dissoutes.
Les silicates sont principalement formés au sein du four, à haute température, une grande
partie se trouvant dans les phases vitreuses. La fin de leur cristallisation peut avoir lieu au
moment de la trempe (Delville, 2003). La vitesse et la durée du refroidissement conditionnent
fortement les proportions de phases silicatées cristallines et vitreuses présentes au sein des
MIOM.
La répartition du calcium dans ces différentes phases peut expliquer les différences observées
lors de la carbonatation des mâchefers. Un faible ratio Ca/Si indique probablement que les
silicates (incluant Ca) sont prédominants dans la matrice. Le calcium est donc peu disponible,
d’où le faible potentiel de carbonatation du MIOM. C’est le cas par exemple des mâchefers A.
A l’opposé, un fort ratio Ca/Si favorise la proportion d’hydroxyde de calcium, soluble, et un
fort potentiel de carbonatation (MIOM D et E).
La nature des OM incinérées a donc une grande influence sur le vieillissement des MIOM. La
réduction du verre peut affecter ou modifier la carbonatation des mâchefers. Le contenu en
verre peut influencer les proportions de phases vitreuses et cristallines qui conditionnent
partiellement l’immobilisation de polluants organiques et inorganiques (Dykstra et al., 1999).
D’autre part, une partie des métaux lourds (notamment Cd, et Pb) est également piégée dans
la calcite formée (Meima et Comans, 1998). Un fort potentiel de carbonatation pourrait donc
avoir également un effet bénéfique sur la lixiviation de ces éléments.
En ce qui concerne les procédés de combustion, le brassage peut avoir une influence. En effet,
comme décrit précédemment, la décarbonatation aboutit à la formation de chaux qui s’hydrate
en portlandite. Un meilleur brassage, favorise cette réaction. Le brassage peut aussi influer sur
la formation des phases silicatées qui s’assemblent au sein du four.
55 DDIISSCCUUSSSSIIOONN:: AAPPPPLLIICCAATTIIOONN PPOOTTEENNTTIIEELLLLEE DD’’UUNN PPRROOCCEEDDEE DDEE TTRRAAIITTEEMMEENNTT DDEESS MMIIOOMM PPAARR CCAARRBBOONNAATTAATTIIOONN AACCCCEELLEERREEEE La pression partielle de CO2 augmentant drastiquement la vitesse de carbonatation des MIOM
il semblerait intéressant d’utiliser des sources de gaz plus riches en CO2 que l’atmosphère afin
de réaliser cette réaction. Les fumées d’incinération contiennent en moyenne 12 % de CO2.
Chapitre 3 : Etude du vieillissement des MIOM par carbonatation accélérée
133
D’autres fumées industrielles ou du biogaz de décharge (35 % de CO2) pourraient également
être utilisés. Ce procédé pourrait présenter le double avantage d’épurer ces fumées en CO2 et
dans un même temps de stabiliser plus rapidement les MIOM.
Si ce type de traitement est développé, la mise en contact des gaz et des MIOM doit être la
dernière étape de la chaîne de traitement des fumées, dans le but d’éviter toute absorption de
polluants gazeux par les MIOM, ce qui pénaliserait leur valorisation ultérieure.
Compte tenu du fait que l’incinération d’une tonne de déchets municipaux génère environ 600
Nm3 de CO2 résiduel et 250 kg de MIOM, le potentiel de séquestration de ce résidu peut être
estimé. Les calculs, basés sur les volumes obtenus précédemment donnent une réduction de
0,5 % à 1% du volume de CO2 libéré dans l’atmosphère par minéralisation sous forme de
carbonates.
Ce résultat peut paraître relativement faible mais le protocole de Kyoto va réglementer les
émissions de gaz à effet de serre. Les états membres seront tenus de réduire ces émissions de
8 % par rapport à 1990 sur la période de 2008 à 2012. Ces états devront s’assurer que les
opérateurs de certaines activités générant des gaz à effet de serre contrôlent ces émissions et
sont détenteurs d’un permis. Les émissions excédant ces permis seront taxées à raison de
100 € par tonne de CO2. Le commerce de ces permis est autorisé sous certaines conditions
(Directive 2003/87/EC du parlement européen et du conseil du 13 octobre 2003).
Il peut être précisé que les émissions de CO2 issu du traitement thermique des déchets
représentent environ 2 % des émissions globales de CO2 françaises (Société Française de
santé publique, 1999). La production de MIOM sur le sol français est quant à elle de 3 Mt par
an (ADEME, 2002). Selon nos résultats, ceci représenterait un potentiel de séquestration
d’environ 73 000 t de dioxyde de carbone équivalent. Ceci pourrait représenter une économie
de 7 300 000 € si les opérateurs des incinérateurs excèdent les émissions autorisées par leur
permis, ou un bénéfice s’ils ont la possibilité de revendre une part de ces permis à d’autres
installations.
Un autre avantage majeur d’un tel procédé serait une meilleure gestion des stocks de MIOM
pour leur réutilisation en tant que de matériau de construction. En effet, sur les plates-formes
de maturation les durées de carbonatation sont longues et variables, en fonction des
caractéristiques des MIOM et des conditions environnementales. La carbonatation accélérée
des résidus pourrait sensiblement réduire les temps de stockage. Elle permettrait en outre de
s’assurer que les matériaux sont totalement stabilisés avant leur réutilisation.
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66 CCOONNCCLLUUSSIIOONN
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 CO2 ou le biogaz de décharge à 35 % de CO2
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. Le développement d’un tel
procédé semble cependant être freiné par la réglementation actuelle qui stipule que tout résidu
entrant en contact avec ce type d’émissions ne peut plus être recyclé et doit automatiquement