Introduction

Les rejets en mer de l’effluent de l’industrie de Gardanne constituent une problématique qui se retrouve dans le contexte plus générale de la fabrication de l’alumine. Nous allons donc de ce fait, présenter succinctement cette filière afin donner un aperçu de l’enjeu mondial provoqué par ces effluents non ou encore peu valorisés, mais aussi dans l’objectif d’identifier plus clairement les boues rouges ; centre de notre problématique.

S’ensuit alors une description historique et géographique du site de Gardanne. La gestion de résidus mise en place sera plus particulièrement détaillée. Elle permettra de situer l’usine et son contexte historique.

Enfin un dernier point, permettra d’éclairer le lecteur sur les limites réglementaires actuelles des rejets en mer dans la baie de Cassis.

L'industrie de l'alumine

La bauxite

La bauxite

La bauxite est le minerai le plus utilisé pour obtenir de l’alumine ; son nom vient du village des « Baux-de-Provence » où le français Pierre Berthier découvrit ce minerai en 1821.


Figure 1: Minerai de Bauxite (Source: www.garrotchaillac.com)

C’est une roche riche en oxyde d’aluminium. Elle est composée, dans des proportions variables, des hydrates d’alumine, de la kaolinite, de la silice et des oxydes de fer qui lui donnent souvent une coloration rouge.  Selon la forme minéralogique dans laquelle  l’alumine est engagée, on parle de bauxite gibbsitique, boehmitique ou diasporique.

On distingue deux types de bauxite, la bauxite de karst (sur substrat carbonaté) et la bauxite latérique (sur substrat alumino-silicaté). Le tableau suivant donne une composition moyenne de la bauxite.


Tableau 1: Composition moyenne de la Bauxite (Source: Burragato F., 1964)

Les réserves:

L’aluminium est le métal le plus abondant de la croûte terrestre, et le 3ème élément après l’oxygène et le silicium. On le trouve uniquement combiné à de l’oxygène. Les gisements de bauxite sont peu nombreux, on les trouve principalement dans trois grandes zones : l’Afrique, l’Amérique Latine et l’Océanie.


Figure 2: Les principaux gisement de Bauxite dans le monde

La bauxite s’est formé il y a des millions d’années au cours du crétacé, sous un climat tropicale, les éléments solubles et une partie de la silice ont été lessivés par les eaux de pluie acidifiées par les décompositions organiques de l'humus, ne laissant que l'alumine et l'oxyde de fer.

Les réserves mondiales connues à ce jour, sont estimées à 28 000 millions de tonnes. La Guinée est le pays qui possède le plus de réserve. L'usine de Gardanne importe actuellement le minerai de ce pays. Le tableau suivant présente les principaux réservoirs mondiaux de bauxite ainsi que leur niveau d’exploitation.


Tableau 2 : Principales réserves et productions minières de bauxites (en 2012 ; sources : USGS)

Le procédé Bayer

Le procédé Bayer est un procédé d’extraction de l’oxyde  d’aluminium  (Al2O3) contenu dans la bauxite. Il a été découvert en  1887 par le Chimiste  autrichien Karl Josef Bayer.

A l’heure actuelle, plus de 95% de l’alumine est produite à partir de la  bauxite par ce procédé. Il a été mis en place à l’échelle industriel pour la  première fois en 1893, par la société « alumine pure », à Gardanne avec  l’aide de son inventeur. Le site de Gardanne a été retenu pour sa proximité  avec les matières premières : la bauxite et le charbon.

 

Le procédé Bayer est un procédé d’extraction par dissolution à haute température et haute pression de la gibbsite et ou de la boehmite contenue dans la bauxite par une solution concentrée de soude.

Voici un schéma représentant toutes les étapes du procédé:

Figure 1: Schéma du procédé Bayer (Source: Rio Tinto Alcan)

Les cinq étapes:

- Le broyage: la bauxite est broyée en fines particules pour facilité l'extraction

- L'attaque: la bauxite est mélangée avec de la soude et de la chaux dans des réacteurs à haute température et haute pression.

- La décantation: on sépare la phase liquide, riche en aluminium, de la phase solide dans des clarificateurs. Les résidus sont lavés plusieurs fois et forment les "boues rouges". Leur couleur est due à leur forte concentration en oxyde de fer.

- La précipitation: la liqueur est refroidie et diluée pour faire précipité l'aluminium sous forme d'hydrate d'alumine (Al2O3, 3H2O).

- La calcination: l'alumine chauffée à plus de 1000°C pour la déshydratée.

Le produit obtenu en fin de cycle est une poudre blanche d'alumine (Al2O3).

Ce procédé est basé sur la solubilité de l’aluminium par rapport aux autres constituants du minerai: en ce plaçant dans des conditions basiques, l'aluminium se dissout pour donner l'ion aluminate Al(OH)4-  tandis que les autres constituants restent insolubles. Le graphique suivant montre la solubilité de l'aluminium en fonction du pH.

Figure 2: Solubilité des espèces d’aluminium (et de l’aluminium total, Alt) en fonction du pH dans un système en équilibre avec la gibbsite microcristalline (0,001 mM = 0,027 mg/L; Driscoll et Schecher, 1990)

Les températures et pressions de réaction et la concentration de soude dépendent de la composition minéralogique de la bauxite. En effet, la gibbsite est plus facilement soluble que la boehmite. Le tableau suivant présente les conditions opératoires d'extraction de l'alumine selon la forme minéralogique dans laquelle est engagée l'aluminium (Hudson et al., 1987).

Tableau 1: Conditions opératoires de dissolution de la Gibbsite et de la Boehmite (Source: Hudson et al., 1987)

Sur le site de Gardanne, la bauxite utilisée contient de forte concentration en gibbsite et en boehmite. L’extraction ce fait en deux fois en utilisant les conditions nécessaire à la dissolution de la gibbsite et de la boehmite afin d’optimiser le rendement d'extraction et ainsi de limiter la production de résidus. Le schéma suivant représente le bilan massique du procédé (LOI = perte au feu):

Figure 3: Débit massique type du procédé Bayer (base sèche). (Source : INERIS, BREF 2009)

 

Le résidu: les boues rouges

Comme vous avez pu le lire dans la page précédente, le procédé Bayer produit en moyenne 1,5 tonne de déchets par tonne d'alumine. Ce ratio dépend de le composition de la bauxite est des réglages du procédé.

La liqueur chargée en aluminium est séparée des résidus insolubles. Ces résidus vont être lavés plusieurs fois en passant dans des clarificateurs où circule un courant d'eau qui passe à contre-courant. Le schéma suivant reprend le procédé bayer en incluant le traitement des résidus.


Figure 1: Schéma du procédé Bayer incluant le traitement des résidus(Sources: Power and al., 2009)

La boue obtenue est ensuite traitée par un ajout de composé neutralisant, si nécessaire, et diluée afin de l'ajuster aux caractéristiques optimales pour le rejet en mer (densité supérieur à l'eau de mer, concentration en phase solide 120g/L).

On obtient alors une pulpe de couleur rouge, c'est à dire un mélange d'une phase liquide et d'une phase solide. C'est cette pulpe qui est communément appelé "boue rouge". Elle tient sa couleur des oxydes de fer qu'elle contient.

Quelques chiffres mondiaux

L’alumine

L’alumine, ou  oxyde d’aluminium  Al2O3, est un composant utilisé dans de nombreux produits industriels. La production d’alumine est estimée à 91,6 millions de tonnes en 2012 (sources: USGS). La carte suivante présente la production d'alumine par continent en 2012 (en millier de tonnes):


Figure 1: Production d'alumine dans le monde en 2012 (en millier de tonnes) (Source: www.world-aluminium.org)

L'alumine est majoritairement (93 %) destinée à la production d'aluminium. D'autres voies particulières d'utilisation sont tout de même présentes : c'est ce qu'on appelle l'alumine de spécialité. La matière première intervient alors dans diverses productions telles que catalyseurs, abrasifs, céramiques.

L’entreprise de Gardanne importe le minerai de Kobé (Guinée) depuis 1989 (voir Historique). Les 524 000 tonnes d’alumine produites en 2011 ne sont pas négligeable vis à vis de la production mondiale. D’autant plus que la totalité de la matière première ; c’est à dire environ 1,3 millions de tonnes de bauxite ; provient actuellement de l’importation.

Les résidus

La production d’alumine génère des déchets communément dénommés « boues rouges » dus à leur couleur fortement teintée. Les teneurs en hydroxydes et oxydes de fer sont élevés et expliquent la soutenance du rouge.

Les proportions de résidus produits dépendent largement du procédé d’extraction et de la composition de la bauxite originale. Le rapport de production résidus/alumine est par exemple de 0,63 pour l'usine de Gardanne avec le procédé actuel, alors qu'il est de 3 pour l'usine située en Hongrie. On peut estimer un rapport moyen mondial de 1,5. Ainsi durant l’année 2012, la quantité de résidus produits est estimée à 130 millions de tonnes. La quantité totale stockée depuis le commencement de l’extraction d’alumine au XIXème siècle est quant à elle évaluée à 2,7 milliards de tonnes (Gräfe et al, 2011).

   
Figure 2 : Production annuelle mondiale de résidus de bauxite (Source: Gräfe et al, 2011)

Les quantités de résidus de bauxites sont considérables si bien que la gestion de ces déchets devient alors un problème succinct à la production d’alumine. Avant les années 1970, les deux principales modes de gestion des résidus étaient le lagunage et le rejet en mer, selon la localisation du site de production. En 1965 un tiers des industries rejetaient les boues rouges dans la mer, tandis que les deux tiers restants utilisaient le lagunage. Historiquement, les industries françaises et japonaises ont favorisé le largage en mer comme meilleure solution économique et aussi environnementale. D’un autre côté le nord américain pratique plus largement le lagunage même en cas de proximité de la mer.

Lors des années 1980, des voies de valorisations se sont développés, puisque la quantité de résidus produits atteignait déjà 1 milliard de tonnes (voir figure 1). Des procédures de séchage des résidus ont été mises en places. En 1985, 45 % des industries séchaient les boues ; la proportion atteignait 70 % en 2007. Le rejet en mer actuel représente 2 à 3 % de la production mondiale de résidus de bauxite. Ils sont localisés principalement au Japon, en France et en Grèce.

Le site historique de Gardanne

Historique

L'usine de Gardanne a la particularité d’être le siège historique de la production d’alumine dans le monde. En effet, le procédé d’extraction Bayer est inventé et mis en œuvre sur le site en 1893, ce qui marque le début de la production d’aluminium (Alteo, Gardanne Environnement). La France restera principal producteur jusqu’en 1913. La bauxite du Var est utilisée comme matière en premier lieu. S’ensuit alors, un développement industriel dont les principales dates clefs sont réunis dans le tableau suivant.


Tableau 1 : Historique de l'usine de production d'alumine de Gardanne

Tout au long de son histoire, l’entreprise changera de propriétaires au fil des aléas économiques. Depuis Novembre 2012, le site de Gardanne est détenu par le groupe Alteo. Avec ses 110 années d'activités, le site constitue la plus ancienne usine du monde.

Situation Géographique

L’usine de production d’alumine est située sur la commune de Gardanne dans les Bouches-du-Rhône. Elle a été implantée près de la voie de chemin de fer, qui la reliait directement aux mines du Var.


Figure 1 :Carte situant Gardanne. (Source: Google maps)

La gestion des résidus

Suivant l'évolution des procédés et des politiques économiques et environnementales ainsi que des techniques de traitement, la gestion des résidus de bauxites varie au cours du temps.

1894 - 1966 : Stockage exclusif

Au début de l'exploitation, les procédés et la bauxite utilisée généraient une tonne à une tonne et demie de résidus pour une tonne d'alumine produite. Durant cette période, 5,8 millions de tonnes d'alumine sont produits, soit l'équivalent de 6 à 8 millions de tonnes de boues rouges. L'alternative première pour ces résidus était à cette époque exclusivement le stockage. Pour ce faire un transporteur aérien est construit en 1906 pour transporter les résidus jusqu'au vallon d'Encorse. Durant 60 années, les résidus seront déversés vers ce site.

Transporteur aérien de boues rouges àau vallon d'Escon
Figure 2 : Acheminement en surface de la bauxite jusqu'au vallon d'Encorse (source : collection photographique de l'Aluminium Français)

1966 : Début du rejet en mer

A partir des années soixante, les formes usuelles de stockage sont devenues obsolètes avec l'augmentation de la production. Des conduites sont construites vers 7 nouveaux vallons pour assurer le stockage. Cependant, ces nouveaux stockages s'avèrent être une solution temporaire au vu de la production annuelle de résidus. Le stockage en mer est alors envisagé.

Des études de faisabilité économiques mais aussi environnementales sont effectuées et aboutissent à une autorisation de rejet en mer. A partir de 1966, commence alors une nouvelle phase de gestion des résidus. Les quantités relarguées en mer s'accroissent avec la production et atteignent 1 million de tonnes en 1986.

Les résidus sont évacués à l’aide d’une conduite de 47 kilomètres de long et de 30 centimètres de diamètre qui entre dans la mer dans la calanque de Port-Miou dans la baie de Cassis. La canalisation débouche à 7 kilomètres du rivage à 320 mètres de fond à l’entrée de la fosse de Cassidaigne.


Figure 3 : Tracé de la canalisation à terre et en mer (Source : www.alteo-environnement-gardanne.fr)

1995 : Reconsidération environnementale et début de la valorisation

Par la suite, les nouvelles réglementations environnementales impliquent un nouveau positionnement pour la gestion des résidus. Un programme de diminution des rejets en mer jusqu'en 2015 est tenu à être respecté. Pour ce faire, le retour au lagunage est utiliser à partir de 2001.

Aussi, les nouvelles techniques, notamment en terme de filtration, proposent de nouvelles alternatives portées sur la valorisation. A partir de 1995, les procédés de retraitement permettent l'utilisation des résidus de bauxite pour former des remblais. Cependant la valorisation reste limitée (voir figure 4).


Figure 4 : Bilan de production et de la gestion des rejets sur le site de Gardanne

Le graphique ci-dessous résume l'évolution du devenir des résidus de bauxite du site de Gardanne.

Gestion des résidus de bauxite à l'usine de Gardanne
Figure 5 : Gestion des résidus de bauxite à Gardanne

 

 

 

 

 

La problématique des rejets en mer, le cas de Gardanne

Les rejets en mer

En première issue pour les boues rouges de l’usine de Gardanne, des bassins naturels permettaient le stockage. Puis, suite à l’augmentation de la production, la faisabilité d’un dépôt en mer a été étudiée (Synthèse des travaux  du Comité Scientifique de Suivi 1995-2004).  C’est ainsi qu’en 1966 a débuté le rejet en mer des résidus de bauxites.

A partir des années 1980, l’augmentation croissante de la production mondiale joint au réveil des problématiques environnementales fait émerger la problématique des résidus. En 1981, le congrès entre l’UNIDO et l’UNEP aboutit à une conclusion que  « les rejets marins doivent être réalisés seulement en dernier recours lorsque les aires de stockages font fautes » (Power et al, 2011). Aucune industrie construite après les années 1970 n’emploie ce mode gestion.

L’alternative des rejets en mer a avant tout un avantage économique. Les coûts d’opération sont beaucoup plus faible comparé au stockage. De plus, la préparation d’une aire de stockage – compaction du sol, gestion des infiltrations - nécessite un investissement non négligeable. Néanmoins on peut lui attribuer des bénéfices environnementaux dans le sens où il évite les effets néfastes du stockage : pollution, occupation des sols et risques de contaminations de nappes souterraines.

En contre partie, d’autres impacts environnementaux apparaissent en utilisant le rejet en mer.  Tout d’abord, le dépôt en mer impose le recouvrement des sols marins détruisant l’écosystème associé. Des risques de contamination aux métaux lourds est également à prendre en compte, d’autant plus que les réactions de dissociations des minéraux sont peu connus. Enfin les effluents augmentent la turbidité dans l’eau de mer par dispersion et formation de colloïdes.

Les réglementations aux égards des rejets en mer

      La convention de Barcelone (1976) amendé 1995

La convention de Barcelone de 1976  vise la protection de l’environnement marin et côtier de la Méditerranée. Contracté par 22 pays dont bien sûr la France, il  permet la gestion homogène de la région méditerranéenne en terme de pollution. L’amendement de 1995, renforce les restrictions concernant les rejets industriels. Afin de le respecter, un arrêté préfectoral en 1996 fixe les quantités maximales de résidus rejetés (tableau 1) afin d’atteindre un rejet nul en 2015.

programme de limitation des rejets jusqu'à 2015
Tableau 1 : programme de limitation des rejets jusqu'à 2015

     Les arrêtés préfectoraux particulier à l’usine de Gardanne

L’usine de Gardanne fait l’objet d’une réglementation spécifique via les arrêtés préfectoraux depuis 1978. Concernant, les rejets en mer plusieurs arrêtés ont été déposés. Celui en date de 2003, en lien ici, résume les diverses contraintes quantitatives des effluents. Le tableau 2 reprend les contraintes concernant le rejet lui même, tandis que le tableau 3 indique les teneurs limites en métaux lourds.

 Restrictions quantitatives journalières
Tableau 2 : Restrictions quantitatives journalières (source : l'arrêté préfectorale de 2003)

A noter que sur la totalité des échantillons mensuels, il est admis que 10 % peuvent dépasser les limites sont toutefois atteindre le double de ces valeurs.

La basicité de l’effluent est également réglementée. Une concentration maximum de 2 g.L-1 d’oxyde de sodium est à respecter en fonctionnement normal. Toutefois, il est là encore admis une concentration allant jusqu’à 4 g.L-1, lors des phénomènes pluvieux importants nécessitant un renouvellement correct de l’eau dans la chaîne de fabrication.


Tableau 3 : Concentrations maximales et flux en métaux lourds (source : l'arrêté préfectorale de 2003)