#27 - Valorisation des mâchefers issus de l’incinération des déchets ménagers. Caractérisation et application des nouveaux traitements d’inertage sans risques pour l’environnement.

La réduction et la prévention des déchets font partie des enjeux majeurs d’aujourd’hui pour répondre aux conséquences économiques, sociales et environnementales engendrées par leur production croissante. L’économie circulaire considère aujourd’hui les déchets comme ressource et encourage à leur réinsertion dans les cycles de production (Directive Cadre sur les Déchets de 2008) en les considérant comme matières premières secondaires.

La question du traitement des déchets ménagers reste largement débattue et s’organise dans les différents pays en fonction du contexte politique, législatif, économique et environnemental.  L’incinération est aujourd’hui le deuxième mode de traitement le plus utilisé en Europe après l’enfouissement. Elle permet, en effet, de réduire de larges volumes de déchets qui ne peuvent être recyclés tout en permettant de produire de l’énergie. Cependant l’incinération génère plusieurs résidus solides dénommés mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND, arrêté ministériel du 25/01/91). Ils se composent :

• D’imbrulés, composés non organiques issus de la combustion et récupérés en sortie de four. Leur taille varie de 10 micromètres à 20 millimètres, tandis que leur composition dépend de celle des déchets en entrée de four ; 80% de ces éléments sont présents sous forme amorphe quand le reste, principalement du quartz et du calcite, sont sous une forme cristalline (anciennement dénommé MIOM)
• De résidus de fumées d’incinération des ordures ménagères (REFIOM), correspondant aux particules volantes filtrées lors du traitement des fumées, riches en métaux lourds et considérées comme des déchets dangereux.  

Ces deux produits contiennent d’importantes quantités de métaux lourds (cuivre, plomb, nickel, chrome), toxiques pour la santé humaine comme pour l’environnement. Au contact de l’eau, ces particules sont, en effet, susceptibles d’être lixiviées et de contaminer les sols, les eaux superficielles ou les nappes. La biodiversité est également touchée du fait de la bioaccumulation qui induit des perturbations dans le métabolisme des organismes touchés, dont l’Homme, certains métaux étant cancérigènes ou pouvant provoquer de graves maladies (ex. : saturnisme).

 Ces produits sont compliqués à traiter et doivent subir un traitement d’inertisation afin de pouvoir être valorisés. A l’heure actuelle, les REFIOM sont enfouis dans des Installations de Stockage de Déchets Dangereux (ISDD) tandis que les MIOM sont souvent utilisés dans de nombreux pays, après un traitement de carbonatation naturelle (maturation), comme matériaux pour la construction de routes ou comme additifs pour la fabrication du ciment. Leur utilisation dépend de concentrations limites en métaux lourds imposées par les réglementations propres à chaque pays.  Chaque année en France, les mâchefers constituent 25% du tonnage initial des ordures ménagères (3MT), mais environ 20% des mâchefers valorisables ne respectant pas les seuils tolérés de polluants sont enfouis (Amorce 2018).

Néanmoins, ces produits ont un potentiel de valorisation important et peuvent permettre de réduire les quantités de CO2 émises pour la production de ciment notamment si les techniques d’inertage des métaux lourds sont améliorées. 

Objectifs du projet

C’est dans ce contexte qu’a pris naissance la coopération scientifique entre l’Esaip (Ecole d’Ingénieur), le Dipartimento di Scienze della Terra de l’Université de Turin (Italie), le Sivert de l’Est d’Anjou et la Saved (Veolia Recyclage & Valorisation des déchets). Les objectifs de cette coopération sont multiples :

• Comparer les techniques de traitement des MIOM entre les Unités de valorisation énergétique en Italie (qui sera nommée UVE A dans la suite du texte) et celles en France (UVE B)
• Caractériser les matériaux du point de vue de la différenciation chimique des éléments constitutifs en fonction de la distribution particulaire
• Étudier et tester différents procédés innovants expérimentaux pour optimiser la phase d’inertage des mâchefers des UVE A  et UVE B répondant à un double enjeu environnemental et financier
• Apporter des garanties scientifiques afin de développer de nouvelles filières de valorisation de ces mâchefers sans risques pour l’environnement et conséquemment pour la santé humaine.

Matériels et méthodes

L’UVE A et B ont principalement le même type de fonctionnement concernant la combustion à haute température (~1000°C) des MIDND permettant de réduire de 70% la masse des déchets ménagers (Record, 2015) et de valoriser l’énergie produite par la chaleur de la combustion sous forme d’électricité ou vapeur. Le process génère des déchets résiduels, les mâchefers. Les déchets ferreux et non ferreux contenus dans les mâchefers sont récupérés par des électroaimants et séparés pour être recyclés.

Cependant dans l’UVE A, les mâchefers ainsi traités sont stockés pour être vendus à une entreprise qui les valorise dans l’industrie de construction pour faire du ciment, du béton, du mortier, de la brique ou encore de la céramique ; dans l’UVE B les mâchefers sont stockés et traités sur place via le processus de carbonatation naturelle pendant 3 mois avant d’être criblés pour récupération des métaux ferreux et non ferreux. Les mâchefers élaborés sont ensuite valorisés en sous-couche routière (arrêté ministériel du 18 novembre 2011, Légifrance, 2011).

Résultats

 C’est grâce aux travaux de recherches de deux étudiants de l’Esaip, appartenant à la formation Sécurité, Environnement et Prevention des risques, que des analyses ont été effectuées sur les MIOM de l’UVE A et de l’UVE B. Ces analyses ont bénéficié des résultats préliminaires obtenus par Caviglia et al. (2019) concernant leur caractérisation particulaire et chimique. En effet a été constaté que la taille des particules (grossières ou fines) avait une influence sur leur capacité à être inertées. Les particules >1mm représentent environ 70% de la masse des mâchefers tandis que les plus fines, <1mm, composent le reste de la distribution (30%). La somme des concentrations en métaux lourds (Ti, Zn, Cu, Cr) dans les lixiviats issus de la fraction <1 mm est 3 fois supérieure à celle de la fraction >1mm. La mesure de la conductivité électrolytique dans des solutions S/L (solide/liquide) avec un ratio de 1/10a montre que la fraction la plus fine est plus riche en sels composés principalement de chlorures de sodium et de potassium ; de manière subordonnée et avec une tendance proportionnelle à la conductivité, les métaux lourds sont présents en quantités supérieures à celles détectées dans la fraction grossière (Caviglia et al., 2019). Ainsi, bien exploiter l’influence de la taille des particules des mâchefers est essentiel pour maitriser leur capacité de relargage de métaux lourds afin de leur valorisation potentielle. 

Sur la base de ce constat, plusieurs méthodes ont été expérimentées et testées sur des échantillons de mâchefers provenant de l’UVE A et B. Les traitements proposés ont pour intérêt d’être viables en utilisant les ressources propres d’une usine d’incinération et dans le but de trouver d’autres applications de valorisation sans risque pour la santé et l’environnement toute en respectant les seuils d’acceptation de métaux lourds des différentes législations françaises, italiennes et européennes.

Les résultats sont en phases d’élaboration et feront l’objet d’une publication scientifique courant 2020.

Conclusions

Ce projet s’inscrit dans une démarche d’économie circulaire en revalorisant les mâchefers d’incinération comme matière première secondaire pour d’autres applications industrielles. L’idée est d’encourager à une meilleure gestion des ressources, réduire la dépendance aux matières premières et préserver le capital naturel tout en réduisant l’impact négatif causé par la gestion des déchets.

Les but des techniques testées est de mettre en place une procédure de traitement durable pas seulement à l’échelle du laboratoire mais surtout à l’échelle industrielle d’une usine de valorisation thermique. Néanmoins il faut être vigilant à ne pas créer l’effet rebond de nouvelle dépendance aux mâchefers en résolvant le problème de leur valorisation. En effet, si le problème du mâchefer peut être résolu, celui des déchets ne l’est pas. Seule la prévention pour réduire la quantité des déchets et le recyclage pour leur valorisation permettent de sortir du business du déchet et de sa dépendance dans les filières de traitement ultime.  Les résultats obtenus sont prometteurs et le projet se poursuit pour développer les méthodes expérimentées à l’usage industriel.

Références bibliographiques

 AMORCE/ANGM/UNPG, 2018. Etat de lieux du recyclage des mâchefers en France- Série Technique, Réf. DT 92

Caviglia C., Confalonieri G., Corazzari I., Destefanis E., Mandrone G., Pastero L., Boero R., Pavese A., 2019. Effects of particle size on properties and thermal inertization of bottom ashes (MSW of Turin’s incinerator). Waste management 84: 340-354

Legifrance.gouv.fr. (2011). Arrêté du 18 novembre 2011 relatif au recyclage en technique routière des mâchefers d'incinération de déchets non dangereux | Legifrance. [Accessed 13 Sep. 2019].

Auteurs : 

Bicchi E.1, Caviglia C.2, Destefanis E.2, Bermond A.1, Vinet M. 1, Bizeul F. 3, Charruau J. 4

1. Esaip La Salle - 18, rue du 8 mai 1945 - CS 80022 - 49180 Saint Barthélemy d'Anjou, Cedex, France
2. Dipartimento di Scienze della Terra - Université de Turin - Via Valperga Caluso 35, Torino, Italie
3. Saved (Veolia Recyclage & Valorisation des déchets), RD 139, 49490 Lasse, France
4. Sivert de l’est d’Anjou Route de Mouliherne à Clefs – Lasse- 49490 Noyant-Villages, France

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