La Solution proposée : le traitement des déchets par solidification-stabilisation (s/s)

Revue critique des méthodes de traitement de déchets

Les différentes méthodes de traitement de déchets ont été par le passé efficaces. Aujourd’hui elles sont presque toutes obsolètes. Prenons l’exemple des traitements biologiques. La biométhanisation est une méthode continue, et est la suite de celle dite biologique. En effet, la méthode biologique est celle qui permet d’apporter des nutriments et de procéder à une dégradation progressive des déchets organiques. Avec celle-ci, seuls les déchets organiques pourraient être dégradés dans un délai raisonnable. C’est une méthode qui est limitée car la dégradation biologique d’une cannette par exemple est de plus de 250 ans, celle du plastique de plus de 150 ans : ce qui n’encourage pas aujourd’hui son utilisation. Toutefois, l’utilisation de celle de la biométhanisation n’en demeure pas moins problématique. Cette technique qui est d’abord biologique, permet néanmoins de récupérer le gaz issu lors de la dégradation des déchets organiques. Notons cependant qu’elle est limitée car elle n’est possible que sur les déchets organiques. Alors que le traitement que nous proposons pour notre thèse est applicable à n’importe quelle matière résiduelle. La méthode de stabilisation qui est utilisée présentement a des limites.

Certes elle est bonne, mais ne serait efficace qu’au niveau de la stabilisation. Elle est par conséquent incomplète. Une méthode complète doit pouvoir agir sur la stabilisation et la solidification. Ce qui n’est pas stabilisée, peut avec le temps désolidariser ses particules et dans ce cas les particules nuisibles se retrouveraient dans la nature. D’autres travaux ont montrés qu’il est possible de stabiliser les plastiques dans le ciment. C’est une excellente méthode, mais qui a des lacunes. Tout d’abord, mélanger des particules de plastique directement aux particules de ciment n’est pas souhaitable. Les plastiques contiennent du carbone, et le mélange carbone-ciment abaisse le pouvoir collant du ciment d’une part. D’autre part, et ça c’est important, les plastiques sont très inflammables, et il n’est pas souhaitable de faire la structure porteuse d’une maison avec des matériaux dont le ciment est inflammable. Ces travaux sont applicables aux pavés, travaux routiers (vérifier l’adhérence du liant) ainsi qu’à d’autres domaines du génie civil nécessitant moins de résistance à la compression. Le taux de recyclage est médiocre au Québec. Il était de 35% à l’an 2000 (Galvez, 2012). On ne peut pas tout recycler au Québec. Les particules toxiques comme le plomb, le mercure et l’ozone ne peuvent pas être recyclées. Le recyclage doit toujours être mis en évidence et ne doit plus être considéré comme une solution de traitement de déchets mais plutôt comme celle de revalorisation de nos matières premières.

L’incinération fait partie des plus vieilles techniques de traitement des déchets solides et aussi plus archaïque. Il consiste à brûler les sols pollués dans un four à des températures extrêmement élevées (870 à 12000 C). Les polluants (principalement organiques) sont ainsi détruits ou volatilisés. Notons au passage, que la température élevée des incinérateurs convertie les polluants en dioxyde et en vapeur d’eau, ainsi qu’en résidus variés de combustion. Toutefois, la transformation des contaminants en molécules non agressives permet de classer cette méthode parmi les plus efficaces. L’incinération aérobie des déchets est l’une des pires méthodes antiques utilisées pour le traitement des déchets. Avec peu d’insouciance pour l’échappement des gaz, on peut dire que c’est un désastre écologique. On ne doit même plus penser à ce mode de traitement thermique. Ce mode de traitement est de loin meilleur à la stabilisation solidification. La gazéification et la pyrolyse sont aussi des procédés thermiques, mais c’est une technique qui se déroule en milieu anaérobie. Ces types de procédés seront détaillés dans le prochain chapitre. Toutefois, retenons que la gazéification et la pyrolyse à elles seules, ne sont ni écologiques, ni économiques. Ni écologiques, car les cendres constituent un magasin de déchets toxiques, et ni économiques car les cendres finiront dans un site d’enfouissement. La méthode de solidification et de stabilisation des déchets que nous proposons, est non seulement écologique, mais aussi très économique. On aura plus besoin d’un site d’enfouissement.

Composition des cendres végétales

Les déchets sont introduits dans les réacteurs thermiques et il en ressort par la suite des cendres et d’autres composés organiques. En général deux types de cendres en résultent : cendres de fond et cendres volantes. Les principaux constituants du bois, pris en considération, sont généralement la cellulose, les lignines, les hémicelluloses et les extraits de solvants naturels. Ces constituants interviennent directement dans les réactions thermochimiques lors de la combustion des déchets. Ainsi le tableau1-1 présente les différents composants de la cendre végétale. L’analyse élémentaire permet de déterminer principalement la quantité de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote et de matières minérales sans tenir compte de la manière dont les éléments sont combinés entre eux. Cette composition, à l’exception des matières minérales, est relativement constante pour les produits lignocellulosiques. Le bois est composé essentiellement de carbone (50 %), d’hydrogène (inférieur à 10%) et d’oxygène (environ 40%). (Fanny, 2013). L’azote y est présent à une proportion inférieure à 1%. Ces composés sont consommés lors de la combustion.

En général, les matières lignocellulosiques ont une faible teneur en matières minérales (>1%). Cependant, certains résidus agricoles ou agro-industriels peuvent dépasser 20% (balles de riz). Le bois contient à l’état de trace des 55 minéraux tels que des macroéléments (calcium, silicium, potassium…) et des microéléments (zinc, bore, cuivre) dont certains de ces derniers sont toxiques (plomb, arsenic, nickel…) nommés aussi Éléments Traces Métalliques (ETM). Le taux de silice est également un paramètre important à contrôler, car il est relié à la production de mâchefer. Des matériaux trop riches en silice sont synonymes de corrosion élevée du dispositif, imposant parfois des choix de technologies plus rustiques mais souvent avec un rendement énergétique un peu moins intéressant. Le taux de cendres d’un ‘combustible’ est d’une très grande importance technologique (formation de mâchefer). La nature et la richesse en cendres influencera les choix technologiques.

La stabilisation solidification

L’objectif principal de ce travail est l’étude et la valorisation des matières résiduelles issues des réacteurs thermiques. Cette étude est faite en trois étapes : En tout premier lieu, nous avons abordé le problème de la récupération et de la gestion des matières résiduelles à l’amont. Ces matières résiduelles sont transformées en cendres grâce aux procédés thermiques (la gazéification ou la pyrogazéification). Ceci permettra de réduire considérablement le volume des matières premières en plus de récupérer de l’énergie. Compte tenu du fait que la manipulation de cendres contaminées pose un véritable problème de santé et sécurité pour les techniciens, une méthode efficace de stabilisation de celles-ci dans un solvant sera étudiée dans le but d’éviter la pollution de l’air par elles et ainsi d’éviter que les particules fines et ultrafines qui en sont issues ne se déposent dans les poumons de ceux qui le manipulent. En deuxième partie nous étudierons le traitement de ces déchets à l’aval par la méthode de stabilisation-solidification. A ce jour, la méthode de stabilisation-solidification est utilisée pour le traitement des sols contaminés. Nous comptons l’adapter pour les déchets contaminés ou non par les métaux lourds.

Ainsi, nous comptons procéder à plusieurs formulations de béton, par approches successives pour obtenir le mélange d’une grande quantité de cendres avec du béton. Chacune des formulations que nous réaliserons sera destinée à l’étude d’une partie d’ouvrage en génie civil. Une étude par approche successive nous permettra de : i) Élaborer des modèles de l’influence des cendres (volantes ou de fond) sur le béton ; ii) De connaitre le comportement mécanique du béton selon les dosages avec différents mélanges de cendres. Les cendres contiennent du carbone, et ce dernier a une réaction négative avec le ciment. Il sera vérifié, au cours de cette thèse l’évolution du murissement du béton confectionné avec les cendres à 3, 7, 21 et 90 jours. Ceci permettra de prévoir la charge maximale que peut supporter un béton comportant des cendres à un temps de sa vie. Les propriétés physiques et mécaniques du monolithe traité seront rigoureusement vérifiées pour démontrer de l’efficacité du traitement. La troisième partie sera une étude économique des méthodes que nous aurions proposées et dont l’efficacité aurait été démontrée. Nous estimons que les méthodes que nous proposons, seront meilleures en rapport qualité – prix et nous comptons le démontrer. Le traitement des sols pollués par les matières résiduelles est un véritable problème environnemental au Québec. Pour éviter d’avoir des sols contaminés par des déchets, certaines villes ont recours aux procédés de gazéification ou de pyrogazéification qui consistent à bruler les déchets. Le but de notre projet est de traiter les déchets pour en extraire de l’énergie et valoriser les cendres qui en découlent : transformer les matières dangereuses en matières inoffensifs, utilisables par l’industrie.

Au Bénin, depuis quelques années, des travaux sur la valorisation des déchets biomasses sont en cours, travail pour lequel l’utilisation des co-produits de second niveau comme les cendres n’est pas encore exploitée. Un réacteur de pyrolyse est construit et exploité et permet de transformer des déchets biomasses comme les coques d’anacardes, de noix de coco, de noix de palmiste, les balles de riz, les épluchures d’ananas et de manioc qui polluent les environnements de travail des industries de transformation de ces chaines de valeur en gaz, biocharbon et biocarburant. Les résultats obtenus par rapport au gaz et biocharbon sont très intéressants : 70 à 83% de gaz par rapport à la masse de la biomasse, 18 à 20% de biochar et 5 à 20% de cendres selon le pouvoir calorifique, le taux de cendres initial de la biomasse, etc… Par ailleurs, ces résultats améliorent l’empreinte environnementale et réduisent les difficultés d’accès à l’énergie dans le pays. Trois grandes industries de transformation agroalimentaire (Kaké-5 à Savalou, Nad & Co à Tchaourou et le Centre Songhaï à Porto-Novo) utilisent déjà les technologies de valorisation énergétiques mises au point. Malheureusement, les cendres obtenues de la pyrolyse et de la pyro-gazéification de ces biomasses ne sont pas exploitées.