Brevet FR2736849A1 — publié le 19970124

La présente invention concerne un procédé de retraitement des ordures ménagères et des déchets industriels. Jusqu'à présent, les ordures et les déchets sont incinérés ce qui engendre des cendres et des boues, posant problème, et des ferrailles et des mâchefers, qui sont réintroduits dans le circuit industriel. Ces cendres et ces boues sont généralement enfouies de manière définitive dans des alvéoles qui sont très onéreuses en surface d'emprise, en matériaux de cloisonnement, en servitude, etc. En fait, on réalise généralement une enceinte en béton, qui va contenir les cendres et les boues, dans le but d'isoler les éléments dangereux qui y sont contenus. Ces éléments dangereux sont essentiellement issus d'oxydes, tels que SiO, A1,O, FeO, CaO, MgO, Na.O, tO, SO, MnO, P.Osl TiO, d'anions, tels que C1-, et de métaux lourds, tels que As, Ba, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, St, V, Zn. Une autre méthode de traitement de ces produits d'incinération consiste à utiliser des techniques pyrométallurgiques. Ces techniques consistent à isoler les éléments dangereux en les incorporant à l'intérieur d'un matériau stable à l'état de verre qui est chimiquement inerte. Dans ce cas, les éléments polluants sont captifs à l'intérieur de la structure moléculaire vitrifiée. L'effet résiduel des combustions industrielles (usines, moteurs thermiques, incinérateurs, etc), à savoir la quantité et le taux de toxicité des rejets gazeux, liquides et solides, est un enjeu majeur. Par exemple, le pot à effet catalytique pour traiter les gaz d'échappement des automobiles est exemplaire des solutions réclamées par cette priorité mondiale. Pour répondre à cette priorité d'intérêt général, les résidus ultimes toxiques (cendres et boues) issus, notamment, des incinérateurs d'ordures ménagères et de déchets industriels seront stockés, dorénavant, conformément aux nouvelles normes européennes, selon un protocole d'enfouissement réglementaire coûteux en volume, en frais d'installation et de maintenance (alvéoles étanches avec membranes géotextiles, etc). En France, il s'agit de l'enfouissement définitif d'environ 200.000 tonnes par an augmentées d'au mois un facteur 2 (200.000 tonnes de réactifs de stabilisation), soit au total 400.000 tonnes pour les seuls résidus ultimes toxiques des incinérateurs d'ordures ménagères à un coût prohibitif par tonne enfouie. Dans quelques années, les centres actuels seront saturés. Le document EP-A-0.455.873 propose la transformation d'un résidu dangereux en agrégat non dangereux sans lessivage par l'introduction du matériau dans un four rotatif où les grandes masses solides sont, au moins partiellement, brûlées pour former un agrégat primaire. Des sous-produits de combustion gazeux et des résidus pulvérulents des matériaux de résidus sont introduits dans au moins un dispositif d'oxydation ayant des parois métalliques refroidies par eau. Quelques uns des résidus pulvérulents sont fondus pour former un matériau de type laitier fondu, qui est enlevé de l'appareil et refroidi pour former un agrégat non dangereux. La partie de matériau dans le dispositif d'oxydation qui n'est pas fondue, est refroidie, neutralisée et soumise à une séparation gaz-solide.Le solide est réintroduit dans le dispositif d'oxydation avec l'agrégat primaire où ils sont ou bien fondus ou entraînés à l'intérieur du matériau fondu et deviennent une partie intégrante de l'agrégat non dangereux. Malgré l'incinération, il reste toujours des déchets dont la toxicité et le volume sont gênants. C'est pourquoi l'objectif de la présente invention est de diminuer le volume des résidus ultimes toxiques à enfouir en les conditionnant comme matériaux de construction ou de génie civil après les avoir transformés en résidus inertes recyclables ou en les réinjectant dans les incinérateurs tels quels, conformés en blocs ou broyés et mélangés à des agents dépolluants. Les résidus ultimes ainsi réinjectés oxydent leur fraction combustible. Néanmoins, l'innocuité des métaux lourds restant présents n'est absolument pas prouvée. De ce fait, il est nécessaire d'ajouter une étape d'extraction desdits métaux lourds et autres composants polluants. Ces techniques sont très coûteuses en énergie, en frais d'installation et de fonctionnement. La présente invention a pour objet de proposer un procédé de stabilisation des cendres et des boues, particulièrement intéressant et efficace. Pour une parfaite exécution dudit procédé, il est particulièrement intéressant d'utiliser une presse de compactage, telle que celle ayant fait l'objet de la demande de brevet déposée par le demandeur sous le numéro d'enregistrement FR 94/12861. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de stabilisation des résidus d'incinération d'ordures ménagères et/ou de déchets industriels tels que les cendres d'électro-filtres, les boues de lavage de gaz, caractérisé en ce qu'il consiste en - un malaxage des résidus, - un compactage, et - une inactivation des produits du compactage. Le compactage s'effectue à - une force comprise entre 50 et 100 kg/cm, - une vitesse du piston de compactage comprise entre 0,02 et 0,06 m/s, et - une teneur en eau des résidus comprise entre 9 et 17 t. La teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des constituants organiques à base d'oxydes, tels que le lait de chaux. Selon une autre technique, la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des constituants organiques à base de carbonates. Selon encore une autre technique, la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des constituants organiques à base de cations métalliques associés à des sels d'acide, tels que bicarbonate de sodium, chlorure de zinc, sulfate de calcium, soude. Selon une dernière technique, la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des agents colloïdaux et/ou chélateurs. Selon un premier mode d'utilisation, l'inactivation des produits compactés est réalisée par la stabilisation chimique des polluants et des métaux lourds par formation de complexes stables avec l'eau adjuvantée, catalysée par la chaleur dégagée par le compactage, et par l'incinération des produits compactés et stabilisés. Selon un second mode d'utilisation, l'inactivation des produits compactés est réalisée par la stabilisation chimique des polluants et des métaux lourds par formation de complexes stables avec l'eau adjuvantée, catalysée par la chaleur dégagée par le compactage, et par l'enfouissement des produits compactés et stabilisés. Le compactage est réalisé du bas vers le haut par un piston qui est en contact avec la plus grande face du bloc à compacter. Le compactage est réalisé par l'intermédiaire d'une presse de compactage comportant des moyens qui augmentent la superficie extérieure des blocs compactés, ce qui augmente l'efficacité de l'incinération. La figure 1 ci-jointe représente une courbe d'essai de détermination de la teneur en eau optimum pour un compactage caractérisé (énergie mise en oeuvre, vitesse, temporisation de fin de compactage). Enfin la figure 2 représente un organigramme du traitement des ordures ménagères avec la possibilité de réinjecter dans le four des produits compactés et inactivés selon l'invention. Selon les termes de la loi de 1992, les déchets industriels spéciaux ultimes "sont des déchets qui ne sont plus susceptibles d'être traités dans les conditions techniques et économiques du moment, notamment par extraction de la part valorisable ou par réduction de leurs caractères polluants dangereux". En fait, ce sont des résidus issus de processus de fabrication industrielle ou d'installation de dépollution des eaux et des fumées. Ces déchets sont essentiellement solides, minéraux, sont très peu réactifs, peu solubles et n'évoluent pas avec le temps. Ils contiennent également des éléments à caractère polluant constitués essentiellement par des métaux lourds et des oxydes mais également des anions. Comme on le voit sur la figure 2, pour une tonne d'ordures ménagères 2, il reste, après incinération par le four 1, une quantité de résidus inertes recyclables d'environ 44 à 45 % de la tonne incinérée qui sont des ferrailles 4 (16 kg), mâchefers 3 (260 kg), effluents liquides (165 kg). Il reste également dans des gaz 5, des résidus ultimes toxiques pour environ 2 à 2,5 % de la tonne 2 incinérée qui se décomposent entre cendres d'électrofiltres, pour environ 78 à 82 % de ces résidus ultimes toxiques, et boues de lavage des fumées, pour environ 18 à 22 % desdits résidus ultimes toxiques. Ces gaz 5 sont dirigés vers un électrofiltre 6 qui permet de séparer lesdits gaz 5 en fonction de leur taille. Les cendres (15,8 kg) sont envoyées vers une unité de traitement 10 des cendres, alors que le reste est transmis à un laveur 7 qui différencie les déchets en les orientant soit vers une unité de traitement 11 des boues (4,3 kg) soit vers un extracteur 8 des fumées épurées 9, qui sont ensuite libérées. Dans un mode particulier de réalisation, les cendres peuvent subir une filtration 13 afin de donner à nouveau des boues, qui sont alors orientées vers l'unité de traitement 11. Le traitement des boues permet d'obtenir, outre les 4,3 kg de boues par tonne d'ordures ménagères, les 165 kg d'effluents liquides 15 Les boues et les cendres sont ensuite dirigées vers le compacteur 12, compactage qui peut être réalisé avec ou sans liant(s) et/ou réactif(s). Selon cette figure 2, l'étape suivante consiste en l'utilisation d'un broyeur 14, avec ou sans agent(s) dépolluant(s), afin de permettre la réinjection dans le four 1. Selon certaines techniques, cette diminution des résidus ultimes toxiques est obtenue grâce à la maîtrise du procédé de combustion et de lavage des fumées de l'incinérateur, qu'il s'agit de piloter, par exemple - en pressurisant de l'air enrichi (ou non) en oxygène, - en modulant des températures différentielles dans le cours du procédé d'incinération, et ce dans des plages de température relativement étroites (donc difficiles à maîtriser) pour éviter des spéciations dangereuses de type dioxines, furannes, ou composés halogénés nocifs, etc, - en mettant en oeuvre des techniques de pyrométallurgie pour arriver, in-fine, à des résidus vitrifiés inertes dont les métaux lourds ont été extraits ou bien bloqués à l'intérieur de leur structure moléculaire, et - en injectant, de façon intermittente ou continue, des adjuvants solides, liquides ou gazeux au moment opportun et en quantité optimisée par rapport à l'objectif de neutralisation de la toxicité. L'utilité et l'importance de la présente invention se situent dans sa capacité à diminuer, efficacement et à moindre coût, les résidus ultimes toxiques produits par chaque incinérateur, quel que soit le niveau technologique de sa régulation de la combustion et de son système complémentaire de lavage des fumées. La présente invention consiste donc à proposer un procédé de stabilisation de l'ensemble de ces résidus d'incinération provenant soit d'ordures ménagères, soit de déchets industriels et qui sont constitués par des cendres d'électro-filtres ou par des boues de lavage de gaz. La caractéristique essentielle de ce procédé est de combiner les étapes suivantes. Tout d'abord, il consiste en un malaxage des résidus que l'on veut stabiliser. Il consiste ensuite à compacter lesdits résidus malaxés, par exemple à l'aide d'une presse telle que revendiquée dans la demande de brevet française FR 94/12861. Enfin, la dernière étape du procédé consiste en une inactivation des produits du compactage. L'ensemble de ces étapes sera ultérieurement mieux explicitée. En ce qui concerne le compactage, celui-ci comporte des caractéristiques bien précises que l'on retrouve également bien définies sur la courbe ci-jointe en figure 1. La courbe de la figure 1 est un diagramme d'essai permettant de déterminer la teneur en eau optimum pour un compactage caractérisé. En ordonné, est indiquée la masse volumique sèche des déchets qui doivent être traités, cette masse volumique étant mesurée en kilogramme par mètre cube. En abscisse, il est indiqué la teneur en eau au compactage. Cette teneur est indiquée en pourcentage. Les tests effectués montrent que le compactage doit être effectué à une force comprise entre 50 et 100 kg/cm, la vitesse du piston de compactage étant comprise entre 0,02 et 0,06 m/s et la teneur en eau des résidus étant comprise entre 9 et 17 %. En fait, la possibilité de compacter les résidus d'incinération, pour les inerter en présence de réactifs, n'avait jamais été utilisée. D'une part, ils permettent d'avoir des résidus qui sont plus compacts et donc beaucoup moins volumineux, ce qui va permettre de stocker un nombre de résidus dans un endroit plus restreint ou bien d'en stocker en plus grande quantité dans un endroit de mêmes dimensions que les zones de stockage actuelles. D'autre part, le compactage implique une augmentation de la température à l'intérieur des blocs qui vont être formés. Cette chaleur a une action catalytique sur les réactions qui vont s'opérer au sein de ces blocs de résidus d'incinération. Néanmoins, lors du malaxage, il est nécessaire que la teneur en eau soit suffisante. En fonction des produits dangereux et polluants qui sont contenus dans les résidus d'incinération traités, il sera nécessaire d'ajouter de l'eau qui sera adjuvantée, c'est-à-dire qu'elle contiendra une certaine proportion de substances permettant de traiter soit les oxydes, soit les anions, soit les métaux lourds. Bien entendu, on pourra faire des combinaisons de ces substances afin de traiter tout ou partie de ces résidus polluants. Pour l'exemple, la stabilisation chimique accélérée est caractérisée par le dégagement de chaleur qui est générée principalement par la réactivité de la chaux contenue dans les cendres et/ou boues à inerter. C'est ainsi, par exemple, que les hydroxydes résultent en particulier de la combinaison de l'eau des oxydes métalliques stabilisés polluants et les métaux lourds grâce aux spéciations accélérées par le compactage. Selon un mode préférentiel de réalisation du compactage, celui-ci s'effectue du bas vers le haut au niveau de la plus grande surface du bloc devant être réalisé sous une charge verticale en empêchant toute dilatation transversale et avec élimination de l'eau résiduelle. Les résidus d'incinération, c'est-à-dire les cendres d'électro-filtres et les boues de lavage de gaz, sont spécifiques au niveau de leur taux d'humidité, de la nature des résidus dangereux et polluants devant être inertés. Comme adjuvant, on peut utiliser de l'eau froide, de l'eau chaude ou bien de l'eau à l'état de vapeur, on peut également utiliser du lait de chaux, de la soude, du bicarbonate de sodium, des solutions d'hypochlorite et du chlorure de sodium, des solutions de silicate de soude, de chlorure de magnésium, de chlorure de zinc, de sulfate de calcium, de sulfures organiques, de solutions aluminosulfatées, d'agents colloïdaux, d'agents chélateurs spécifiques aux métaux lourds à inerter, etc. La présente invention mélange, selon des procédés connus, les cendres et boues en les adjuvantant par une solution aqueuse adaptée à la toxicité spécifique générée par le mode de combustion et de lavage des fumées de l'incinérateur. Pour influencer favorablement le compactage, on peut ajouter ces adjuvants, en quantité catalytique, servant de pièges à cations. Ces cations, fixés en premier lieu, favorisent la précipitation des métaux lourds et ce d'autant plus que la structure de cristal du support (par exemple aluminosilicate) est adéquate par rapport à la dimension des ions de métaux lourds. Il s'agit d'optimiser l'épitaxie entre les structures des métaux lourds et celle du cristal de support adjuvanté. De la même façon, le malaxage pour homogénéiser l'apport d'eau avec les cendres et les boues à inerter est caractérisé par sa vitesse de malaxage. Dans le cas d'un malaxage par malaxeur planétaire, on utilisera une vitesse de 50 tours/minute. Une fois que le procédé a été mis en oeuvre, la résistance mécanique des blocs qui ont été compactés est supérieure à 0,1 kN/cm dès la sortie du moule de compactage. Jusqu'à présent, lorsque l'on stockait les produits issus des résidus d'incinération, il était nécessaire d'ajouter des réactifs d'inertage qui étaient souvent coûteux. Par l'utilisation du compactage, il est possible de diviser, au moins par deux, la quantité de réactifs d'inertage du simple fait de la pression de compactage. Le volume de stockage sera donc au moins deux fois moins important. La dernière étape de ce procédé consiste en l'inactivation des produits compactés. Celle-ci peut être réalisée par la stabilisation chimique des polluants et des métaux lourds par formation de complexes stables avec l'eau adjuvantée, cette réaction étant caractérisée par la chaleur dégagée par le compactage. Ensuite, l'inactivation consiste en l'incinération des produits compactés et stabilisés, cette incinération pouvant s'effectuer sur le même lieu que la première incinération ayant engendré des résidus telles que cendres et boues. De ce fait, la presse de compactage selon l'invention précédente du demandeur est particulièrement adaptés à une mise en place près d'un four. Afin d'augmenter encore l'efficacité de l'incinération, il est possible de perforer les blocs compactés, ceci afin d'augmenter la surface pouvant être brûlée. Dans un autre mode de réalisation, l'inactivation des produits compactés est réalisée également par la stabilisation chimique des produits polluants et des métaux lourds de la même façon que précédemment, ensuite par l'enfouissement des produits compactés et stabilisés. Comme on l'a vu précédemment, cet enfouissement prendra deux fois moins de place. Masse (kg) Volume (L) Densité Cendres foisonnées sèches 1000 1300 0,77 Réactif liquide 600 500 1,20 Total avant séchage 1600 1800 0,88 Total théorique après 1300 1500 0,86 séchage (-300 1 d'eau) Tableau 1 Invertase avec stabilisateur selon l'état de la technique Il est connu d'ajouter des réactifs pour obtenir la solidification et la stabilisation de résidus ultimes toxiques, selon le tableau 1. En pratique, après séchage, la densité finale du coulis est d'environ 1,05. Pour une tonne de cendres à traiter, le volume final est d'environ 1,25 m. Pour une tonne de cendres à traiter, il faut 600 kg de réactif. De même, il est connu d'utiliser la force de compactage pour réduire le volume d'agrégats solides ou des gaz. La présente invention combine ces deux techniques en tirant avantageusement parti de l'effet catalytique du compactage, comme il ressort du tableau 2. Masse (kg) Volume (L) Densité Cendres foisonnées sèches 1000 1300 0,77 Réactif liquide 60 50 1,20 Eau 100 100 1,00 Total avant compactage 1160 1450 0,80 Total après compactage 1160 725 1,61 Tableau 2 Stabilisation selon l'invention En pratique, après compactage, la densité finale des briques est au minimum de 1,61 (1,6 à 1,8). Pour une tonne de cendres à traiter, le volume final est d'environ 0,725 m. Pour une tonne de cendres à traiter, il faut 60 kg de réactif. Le volume final pour une tonne de cendres sèches permet un gain de 42 % avec l'invention par rapport à l'état de la technique (0,725 m contre 1,25 m). Le gain en quantité de réactif est encore plus net puisqu'il est de 90 W (60 kg contre 600 kg). Les blocs réalisés peuvent être enfouis comme résidus ultimes stabilisés, selon les réglements adéquats. Dans ces cas, la capacité des centres d'enfouissement réglementaire est augmentée dans la même proportion que la réduction volumique obtenue. Les blocs réalisés peuvent être recyclés en résidus inertes et utilisés comme matériaux de construction ou de génie civil. Dans ces cas, leur résistance mécanique supérieure à 0,1 kN/cm dès la sortie du moule et leurs formats (de 1 à 30 litres en volume) sont particulièrement avantageux. L'empilage de ces blocs conditionnés en gabions d'au moins 2 m est utile pour construire des pare-feux, des digues, des murs anti-bruit, anti-érosion, des casemates de protection, des remblais de grande hauteur à usage par exemple d'activités de loisirs (circuits motocyclette, automobile, pistes diverses). Enfin, les blocs peuvent être réinjectés dans l'incinérateur tels quels (à l'état de blocs compactés) ou broyés et mélangés à des agents dépolluants selon les règles de l'art concernant une telle réinjection de matériaux solides ou broyés. Ces blocs sont réinjectés dans l'incinérateur, en quantité optimisée et au moment opportun, pour oxyder leur partie combustible, selon l'une des deux procédures suivantes - soit tels quels, à l'état de blocs compactés, ce qui augmente, par exemple, la masse circulante du lit fluidisé dans le but d'augmenter l'inertie thermique et ainsi mieux réguler la température de combustion, - soit les blocs compactés sont broyés selon une granulométrie spécifique pour chaque utilisation puis l'agrégat ainsi obtenu est mélangé à des agents dépolluants contenant, par exemple, du disulfure de carbone à raison de 0,01 % à 0,1 W du poids de cendres volantes compactées (pour empêcher les cendres volantes d'être catalyseur de dioxines), avec ou sans sulfite de calcium (pour favoriser un échange de chaleur enthalpique). REFERENCES 1. Four 2. Ordures ménagères 3. Mâchefers 4. Ferrailles 5. Gaz 6. Electrofiltre pour les gaz 5 7. Laveur 8. Extracteur des fumées 9 9. Fumées épurées 10. Unité de traitement des cendres 11. Unité de traitement des boues 12. Compacteur 13. FIltration 14. Broyeur 15. Effluents liquides REVENDICATIONS 1. Procédé de stabilisation des résidus d'incinération d'ordures ménagères et/ou de déchets industriels, tels que les cendres d'électro-filtres, les boues de lavage de gaz, caractérisé en ce qu'il consiste en - un malaxage des résidus, - un compactage, et - une inactivation des produits du compactage. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compactage s'effectue à - une force comprise entre 50 et 100 kg/cm, - une vitesse du piston de compactage comprise entre 0,02 et 0,06 m/s, et - une teneur en eau des résidus comprise entre 9 et 17 t. 3. Procédé, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des constituants organiques à base d'oxydes, tels que le lait de chaux. 4. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des constituants organiques à base de carbonates. 5. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des constituants organiques à base de cations métalliques associés à des sels d'acide, tels que bicarbonate de sodium, chlorure de zinc, sulfate de calcium, soude. 6. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la teneur en eau est atteinte avant malaxage par adjonction d'eau adjuvantée contenant des agents colloïdaux et/ou chélateurs. 7. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'inactivation des produits compactés est réalisée par la stabilisation chimique des polluants et des métaux lourds par formation de complexes stables avec l'eau adjuvantée, catalysée par la chaleur dégagée par le compactage, et par l'incinération des produits compactés et stabilisés. 8. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'inactivation des produits compactés est réalisée par la stabilisation chimique des polluants et des métaux lourds par formation de complexes stables avec l'eau adjuvantée, catalysée par la chaleur dégagée par le compactage, et par l'enfouissement des produits compactés et stabilisés. 9. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 7 ou 8, caractérisé en ce que le compactage est réalisé du bas vers le haut par un piston qui est en contact avec la plus grande face du bloc à compacter. 10. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 8 ou 9, d'une part, et la revendication 7, d'autre part, caractérisé en ce que le compactage est réalisé par l'intermédiaire d'une presse de compactage comportant des moyens qui augmentent la superficie extérieure des blocs compactés, ce qui augmente l'efficacité de l'incinération.