Traitement & valorisation

 

Traitement et valorisation des sédiments pollués du Matanza-Riachuelo

 

Les sédiments pollués posent de plus en plus de problèmes, que ce soit au niveau environnemental ou technologique, mais également au niveau juridique et économique.

Dans l'optique de présenter un projet qui soit économiquement viable et intéressant, nous souhaitons valoriser les sédiments extraits. Aussi, nous avons envisagé la fabrication de briques à partir de ceux-ci, ainsi que la production de métal avec les éléments traces métalliques fortement présents. Il était également question, au départ, d'exploiter la matière organique présente dans les sédiments pour rendre une seconde vie aux sols décapités du Sud de Buenos Aires.

Cette seconde solution de valorisation ne sera pas étudiée par manque de temps mais elle mérite qu'on lui porte de l'attention.

Un traitement préalable des sédiments est nécessaire, il sera développé ci-dessous. Puis nous étudierons l'aspect économique de ce problème, essentiel dans un contexte comme celui-ci.

Nous avons pensé, comme lieu de construction des usines de traitement des sédiments, utiliser les sols décapités dont nous avons déjà parlé. Cependant, il faut tout de même bien prendre en compte que les distances ne sont pas les mêmes en Argentine et en France. Le transport ici risque de coûter extrêmement cher car la distance à parcourir est très grande. Prenons par exemple un sol au Sud de Buenos Aires, présentant de très mauvaises capacités agronomiques :

Source : Google maps

 

Il est ici question de transporter les sédiments sur plusieurs dizaines de kilomètres. Ceci est dans le cas où l'on extrait les sédiments et l'eau "au-dessus", car si l'on utilise le système de dragage présenté dans la page du même nom, le transport devra se faire par camions, ce qui sera économiquement bien plus rentable.

 

I. Introduction

Le premier pas pour produire des briques à partir des sédiments contaminés est de diminuer la mobilité ou potentiel de mobilité des polluants afin d'éviter que ceux-ci ne soient émis vers l'environnement.

Le concept d'immobilisation consiste à inhiber la mobilité des polluants dans l'endroit même où ils seront stockés par la suite.

Les matériaux auxiliaires pour l'immobilisation sont usuellement constitués de colles ou de matériaux avec la propriété de s'unir chimiquement ou physiquement au polluant. Ces matériaux (organiques ou inorganiques) réagissent avec les matériaux contaminés en formant des polymères, lesquels forment des réseaux et des agglomérats solides entourant complètement les polluants.

Ces matériaux immobilisants constituent une matrice qui enferme et retient les polluants à l'intérieur du réseau de polymérisation ; la dureté du matériau augmente. Selon l'état du matériau contaminé et de sa structure chimique, ces changements peuvent aussi engendrer une diminution de la toxicité.

Les réactions qui sont provoquées par la combinaison du matériau polluant et de l'immobilisant sont dépendantes de la constitution des deux matériaux et les forces chimiques ou physiques d'union peuvent donc varier à l'intérieur du matériau. C'est pourquoi il est important de prendre en considération le fait que le processus d'immobilisation peut être réversible.

 

II. Procédé d'inertage des sédiments pollués

Habituellement, l'unité de traitement est placée au plus près de la zone à traiter afin de réduire les coûts de transport des matériaux bruts. Malheureusement, comme nous avons déjà pu le voir précédemment, ceci n'est pas possible dans notre cas puisque nous sommes en plein centre ville. Le traitement se fera donc sur le terrain présenté dans l'introduction de l'étude des sédiments.

 

1) Première étape : la phosphatation

La première étape du traitement, étape dite de « phosphatation » est réalisée par l’unité A présentée sur le schéma ci-dessous. Le sédiment brut dragué est pompé et mélangé à 2 à 3,5% d’acide phosphorique H3PO4 dans un réacteur tubulaire (sa teneur en eau à ce moment-là approche alors les 50%). Cette étape permet la fixation des métaux lourds via les réactions décrites auparavant. En effet, en présence du calcium (Ca), minéral naturellement présent dans les sédiments, l’acide phosphorique permet l’apparition de phases cristallines de type phosphates hexagonaux - dits apatite - qui ont la particularité de piéger les métaux lourds. Le but du procédé n’est pas d’éliminer les métaux lourds mais d’empêcher la contamination de l’environnement, notamment par lixiviation, c'est pourquoi nous cherchons à les piéger.

Après phosphatation, les sédiments sont stockés sur un géotextile drainant durant 24h. Le lixiviat est récupéré et recyclé, puis les sédiments phosphatés sont disposés en andains de séchage régulièrement homogénéisés. Cette étape permet d'augmenter la siccité des boues ou pourcentage massique de matière sèche. Elle permet également une maturation de ces dernières : les apatites grossissent et les derniers métaux lourds sont piégés.

Le séchage des sédiments est généralement demandeur de beaucoup d’énergie ou de temps mais le phénomène dit de "moussage" (formation de bulles) qui se produit lors de l’ajout d’acide phosphorique accélère ce processus et permet de gagner du temps (et donc de l'argent).

Il est important de collecter les gaz émis lors des deux phases décrites ci-dessus que sont la phosphatation et le séchage. En effet, du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène sont produits ; ils seront traités sur charbon actif.

Le charbon actif aura préalablement subi plusieurs opérations : la pyrolyse et l'oxydation ménagée. Cela rend la structure poreuse et permet d'augmenter notablement la surface d'échange avec l'eau (grand pouvoir d'absorption).

Une dernière étape consiste à laver et à dépoussiérer l'air à l'intérieur du bâtiment où sèchent les sédiments phosphatés.

 

  Source : http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/11/98/33/PDF/These_Franck_Agostini.pdf

 

2) Seconde étape : la calcination

Pour la dernière étape, les sédiments phosphatés sont conditionnés dans des grands sacs et acheminés jusqu’à l’unité B. Il s’agit d’une calcination en four tournant à une température supérieure à 650°C, qui permet notamment une élimination des composés organiques. Ici aussi, l'intérêt est que les gaz produits par la combustion sont récupérés et traités. Ce procédé est un procédé d’épuration que l'on rencontre lors du traitement des fumées acides issues des incinérateurs. Les acides sont neutralisés par l’activation thermique du bicarbonate de sodium. La transformation du bicarbonate de sodium en carbonate activé confère au procédé d'excellentes performances de neutralisation (acide chlorhydrique, dioxyde de soufre, acide fluorhydrique, etc.) et d’adsorption des métaux lourds, des dioxines et des furannes. Ce procédé possède également l'avantage de ne consommer que très peu de réactifs en respectant largement les limites d'émission.

Enfin, un filtre cyclonique permet la récupération des résidus. Cette calcination permet de sécher les sédiments traités en atteignant un taux de siccité supérieur à 95%.

A l’issu de ce traitement, le matériau est inerté et prêt à être valorisé. L’efficacité de la fixation des métaux lourds est liée aux propriétés des apatites.

 

  Source : http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/11/98/33/PDF/These_Franck_Agostini.pdf

 

Ce qui fait que ce procédé est efficace est sa capacité à fixer durablement les métaux lourds, à éliminer les contaminants organiques, mais également son aptitude à produire des matériaux recyclables. Certains procédés de traitement parviennent à une remédiation efficace du problème environnemental mais, une fois traité, le matériau n’a pour seul avenir qu’une mise en décharge dont le montant se rajoute à un coût de traitement déjà rédhibitoire.

Il existe de nombreuses voies de valorisation imaginables : Matériau de remplissage, de remblaiement, couche d’assise de chaussées, béton, brique. Nous nous intéresserons pour la suite à la fabrication de briques.

 

III. Fabrication de briques

Pour fabriquer un produit en terre cuite, le schéma principal est le même pour tous les procédés. Bien entendu, dans notre cas, la phase d'extrusion n'intervient pas à ce moment-là :

 

Source : Thèse de Mazen Samara "Valorisation des sédiments fluviaux pollués après inertage dans la brique cuite" (p.52)

 

1) La préparation de la pâte (mélange + broyage)

Après la calcination, le taux d'humidité des sédiments "inertés" est inférieur à 5%. Aussi, nous parlerons de préparation sèche pour ce qui est de la pâte. Une telle préparation permet d'atteindre des granulométries extrêmement fines, ce qui assure une grande homogénéité du produit, et donc une bonne qualité finale (frittage à plus basse température et meilleure résistance mécanique).

La matière première est ensuite malaxée et envoyée dans des broyeurs à meule verticale ou à cylindres horizontaux. La quantité d'eau ajoutée influera directement sur la plasticité de la pâte.

Exemple de broyeur artisanal à meule verticale dans un moulin :

Source : http://www.vocance.fr/La-minoterie.html

 

2) Le façonnage

Lors de cette étape, il s'agit de donner à la pâte une cohésion suffisante en éliminant l'air qui serait resté dans l'argile. On ajoute également de l'eau (ou on injecte de la vapeur d'eau) afin d'obtenir la plasticité de la pâte voulue.

Pour former les briques à proprement parler, il existe deux procédés qui sont très utilisés dans l'industrie de la terre cuite : le filage et le pressage. L'extrusion, qui fait partie du procédé de filage, est le procédé de mise en forme le plus utilisé quand il est question de pâtes plastiques comme celle que nous étudions.

Après l'extrusion, un "fil à couper le beurre" permet de donner à la brique sa forme définitive.

 

Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Brique_(matériau)

 

3) Le séchage

Le séchage est une étape importante qui doit être très bien contrôlée afin d'éviter que la brique ne se fissure et devienne donc inutilisable. Il faut retirer les 15 à 30% d'eau qu'il reste dans le produit par rapport à sa masse sèche. Pour cela, il est nécessaire de bien coupler vitesse de séchage, température et humidité.

On commence par retirer l'eau colloïdale, qui est l'eau séparant les micelles d'argile. Cette eau intervient dans la plasticité du produit. Ensuite, on s'attelle à retirer l'eau dite d'interposition. Cela crée de la porosité et l'argile perd alors complètement sa plasticité.

Après cette phase, il restera tout de même 1 à 2% d'eau résiduelle dans le produit final.

 

4) La cuisson

Selon le produit final que l'on souhaite fabriquer, il faut adapter cette dernière étape. Plusieurs paramètres sont donc à contrôler : la température, la durée de cuisson et l'atmosphère à l'intérieur du four. Parmi ces paramètres, le plus important est la température, qui peut différer fortement suivant le produit final :

Produit Intervalle de température (°C)
Températures de cuisson de différentes briques en terre cuite
Briques pleines 1000 - 1250
Briques perforées 900 - 1000
Briques de pavage 1050 - 1200

Source : Thèse de Mazen Samara "Valorisation des sédiments fluviaux pollués après inertage dans la brique cuite" (p.55)

 

IV. Conclusion

Le procédé de fabrication de briques en terre cuite à partir des sédiments pollués du Riachuelo a été présenté. Une étude de la valorisation économique engendrée par la vente de ces briques sera étudiée dans la dernière partie de cette étude sur les sédiments. Cependant, il va sans dire que ces procédés restent très coûteux et qu'une très grande production de briques assortie d'un marché extrêmement florissant sera essentielle à la réussite de ce projet, économiquement parlant.