Les réponses fournies nous ont permis de convenir que le classement initialement proposé reste parfaitement cohérent même s'il est à noter qu'à l'intérieur de chacun des types, des installations relativement différentes peuvent coexister (par exemple en fonction du nombre de séparateurs ou du nombre de fractions traitées).

Sur la base des 26 plateformes nous ayant donné à la fois leur capacité et le type de traitement réalisé, nous avons réalisé le tableau synthétique suivant :

<table><caption>Tableau 19 : Résultats sur la classification des plateformes selon notre étude</caption><thead><tr><th colspan="2">tranche de capacité (t/an)</th><th>Type I</th><th>Type II</th><th>Type III</th><th>Type 0</th><th colspan="2">total</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="5">&lt; 10 000</td><td>nombre</td><td>2</td><td>2</td><td>0</td><td>0</td><td>4</td><td>15%</td></tr><tr><td>tonnage traité (t/an)</td><td>12 000</td><td>6 150</td><td>0</td><td>0</td><td>18 150</td><td>2%</td></tr><tr><td>%</td><td>66%</td><td>34%</td><td>0%</td><td>0%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td>capacité maximale (t/an)</td><td>16 000</td><td>6 150</td><td>0</td><td>0</td><td>22 150</td><td>1%</td></tr><tr><td>%</td><td>72%</td><td>28%</td><td>0%</td><td>0%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td rowspan="5">10 000 - 50 000</td><td>nombre</td><td>0</td><td>8</td><td>6</td><td>2</td><td>16</td><td>62%</td></tr><tr><td>tonnage traité (t/an)</td><td>0</td><td>157 212</td><td>181 500</td><td>28 000</td><td>366 712</td><td>38%</td></tr><tr><td>%</td><td>0%</td><td>43%</td><td>49%</td><td>8%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td>capacité maximale (t/an)</td><td>0</td><td>253 500</td><td>339 500</td><td>33 000</td><td>626 000</td><td>41%</td></tr><tr><td>%</td><td>0%</td><td>40%</td><td>54%</td><td>5%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td rowspan="5">50 000 - 100 000</td><td>nombre</td><td>0</td><td>0</td><td>4</td><td>0</td><td>4</td><td>15%</td></tr><tr><td>tonnage traité (t/an)</td><td>0</td><td>0</td><td>290 000</td><td>0</td><td>290 000</td><td>30%</td></tr><tr><td>%</td><td>0%</td><td>0%</td><td>100%</td><td>0%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td>capacité maximale (t/an)</td><td>0</td><td>0</td><td>545 000</td><td>0</td><td>545 000</td><td>35%</td></tr><tr><td>%</td><td>0%</td><td>0%</td><td>100%</td><td>0%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td rowspan="5">&gt; 100 000</td><td>nombre</td><td>0</td><td>1</td><td>1</td><td>0</td><td>2</td><td>8%</td></tr><tr><td>tonnage traité (t/an)</td><td>0</td><td>150 000</td><td>150 000</td><td>0</td><td>300 000</td><td>31%</td></tr><tr><td>%</td><td>0%</td><td>50%</td><td>50%</td><td>0%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td>capacité maximale (t/an)</td><td>0</td><td>150 000</td><td>200 000</td><td>0</td><td>350 000</td><td>23%</td></tr><tr><td>%</td><td>0%</td><td>43%</td><td>57%</td><td>0%</td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td colspan="2">nombre usines totales</td><td>2</td><td>11</td><td>11</td><td>2</td><td>26</td><td>100%</td></tr><tr><td colspan="2">tonnage total traité</td><td>t/an</td><td>12 000</td><td>313 362</td><td>621 500</td><td>28 000</td><td>974 862</td><td>100%</td></tr><tr><td colspan="2">capacité totale</td><td>t/an</td><td>16 000</td><td>409 650</td><td>1 084 500</td><td>33 000</td><td>1 543 150</td><td>100%</td></tr></tbody></table>

Nota : les valeurs prépondérantes ont été mises en bleu dans ce tableau et dans les suivants.
Sur la base des résultats obtenus, plusieurs constats peuvent ressortir de ce tableau :

* les plateformes de type I sont plutôt des plateformes de petites capacités (< 10 000 t/an);

* quel que soit le type d'installations concernées, la majorité des plateformes est d'une capacité située entre 10 000 et 50 000 t/an;

* lorsque la capacité des IME augmente, les plateformes ont tendance à s'équiper de manière à optimiser la valorisation des métaux.

Pour les 38 plateformes de type I, II ou III, les résultats sont les suivants :

<table><caption>Tableau 20 : Répartition des IME selon notre étude</caption><thead><tr><th rowspan="2"></th><th rowspan="2">Types de procédé</th><th colspan="2">Installations</th><th colspan="2">Capacité</th></tr><tr><th>11%</th><th>4</th><th>1%</th><th>25 252</th></tr></thead><tbody><tr><th rowspan="3" scope="rowgroup">Données totales de 38 IME</th><th scope="row">Type I</th><td>42%</td><td>16</td><td>23%</td><td>465 523</td></tr><tr><th scope="row">Type II</th><td>47%</td><td>18</td><td>76%</td><td>1 564 081</td></tr><tr><th scope="row">Total</th><td>100%</td><td>38</td><td>100%</td><td>2 054 856</td></tr></tbody></table>

En 2002 les résultats de l'ADEME étaient les suivants (pour 32 sites étudiés):

<table><caption>Tableau 21 : Répartition des IME selon l'étude de l'ADEME en 2002</caption><thead><tr><th>Type de procédé</th><th>% Installations</th><th>% Capacité</th></tr></thead><tbody><tr><td>Type I</td><td>19%</td><td>6</td><td>12</td></tr><tr><td>Type II</td><td>44%</td><td>14</td><td>21</td></tr><tr><td>Type III</td><td>38%</td><td>12</td><td>57</td></tr></tbody></table>

En 12 ans, il semble que les installations de type III aient augmenté surtout en termes de capacité, les procédés seraient donc plus optimisés dans le tri des métaux non ferreux et dans le broyage des refus.

Cependant, il faut tout de même relativiser ces chiffres. Dans un même type, les plateformes peuvent être très différentes. La différence peut se singulariser à plusieurs niveaux : le nombre de fractionnement, le nombre de fractions traitées pour en extraire les ferreux et/ou les non ferreux... Par exemple, on peut retrouver des plateformes de petite capacité avec un seul courant de Foucault sur leur seule ligne de mâchefer et on peut trouver également des plateformes de grandes capacités ayant plusieurs fractionnements de mâchefer et un traitement différent avec plusieurs courants de Foucault positionnés sur certains des fractionnements. Ces deux IME sont pourtant bien répertoriées dans le même type malgré leur procédé différent.

Ces résultats peuvent être complétés par les résultats présentés dans le rapport d'enquête du CEREMA de juillet 2014 [57] :

* un criblage est réalisé sur 36 des 40 IME ayant répondu ;

* une séparation des métaux ferreux est réalisée sur 36 des 40 IME ayant répondu ;

* une séparation des imbrûlés est réalisée sur 29 installations ;

* un concassage est effectué sur 15 installations.

## Différentes étapes de traitement :

Plusieurs opérations sont donc essentielles pour l'élaboration de la grave de mâchefer (les deux premières opérations n'ont pas lieu sur l'IME mais sur l'UIDND) :

* Le refroidissement ou l'extinction (sur l'UIDND) : en sortie du four d'incinération, les mâchefer sont refroidis généralement dans un siphon hydraulique. Le produit présentera donc une forte teneur en eau [59].

* Le scalpage (sur l'UIDND) : cette étape consiste à enlever les éléments grossiers. Selon le type de four, les mâchefer passent donc par une grille de coupure moyenne de 200 mm à 300 mm.
✓ Le criblage : les mâchefers scalpés peuvent être calibrés selon les exigences des utilisateurs du produit élaboré en technique routière entre 20,0 et 31,5 mm.

Différents types de cribles existent : rotatifs, plans (vibrants ou non) ou étoiles (rares) et plusieurs criblages peuvent être réalisés en IME. Sur les installations possédant deux cribles, les deux équipements ne jouent pas exactement le même rôle : le premier sert à enlever les éléments grossiers au-delà de 20 mm environ, le second assure la division des mâchefers en deux fractions (division à 8, 10 ou 15mm) avant le passage sur la machine à courant de Foucault.

✓ La séparation des ferreux : pour séparer les métaux ferreux des mâchefers, des overbands sont mis en place.

Selon l'étude AMORCE de 2012 (DT50), 61% des installations interrogées réalisent cette étape sur l'IME connexe à l'UIDND et 29% en IME privée. Enfin 10% réalisent cette étape en deux fois, un premier traitement en UIDND et un deuxième réalisé par une IME privée. Selon cette étude, 8,9% de ferreux ont été extraits des mâchefers en 2010 et 8,8% en 2011. Ces métaux sont ensuite vendus pour être recyclés à un prix moyen de 79 euros la tonne.

✓ Séparation des non ferreux : pour séparer les éléments non ferreux, une machine à courants de Foucault va exercer un flux magnétique à haute fréquence sur les mâchefers et cela repoussera les métaux non ferreux. Cette séparation est particulièrement utile pour éliminer l'aluminium qui provoque souvent des problèmes de gonflement des mâchefers valorisés en techniques routières. De plus, cela permet un recyclage et une revente des éléments non ferreux à un prix intéressant (665 euros la tonne en moyenne). Cette séparation se réalise davantage sur des IME privées (48% des installations étudiées en 2012 par AMORCE) car cela nécessite un matériel spécifique et assez coûteux. 16% des installations ne réalisent pas cette étape selon la même étude. Selon cette étude, 0,6% de non-ferreux ont été extraits des mâchefers en 2010 et 0,7% en 2011.

✓ Broyage des refus : pour éliminer les gros éléments, une centrale de concassage peut être utilisée. Cette étape se situe généralement après le premier criblage. Cela permet de diminuer la quantité de refus.

✓ Séparation des imbrûlés : les imbrûlés peuvent être séparés par tri aéraulique (méthode la plus utilisée). Cette séparation permet de renvoyer ces résidus en UIDND afin de les incinérer à nouveau ou de les envoyer en stockage de déchets non dangereux [4].

Le Guide SETRA présente un schéma type de traitement « classique » qui est reproduit ci-dessous :
<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>Figure 41 : Schéma de production de mâcheferls élaborés [3]</figcaption></figure>

La figure suivante présente un autre schéma :

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>Figure 42 : Schéma de production de mâcheferls élaborés sur le site de Plabennec dans le Finistère (29)</figcaption></figure>
Le procédé d'élaboration comprend :

1. Un entonnoir équipé d'une grille empêchant les gros éléments d'entrer dans l'installation ;

2. Un extracteur retirant les éléments supérieurs à 200 mm ;

3. Une boucle de concassage, équipée d'un aimant de tri des ferreux et d'une soufflerie de séparation des imbrûlés, ramenant la dimension du mâchefer à 20mm maximum ;

4. Un second aimant de tri des ferreux en sortie de boucle du concassage ;

5. Un crible secondaire séparant les éléments inférieurs à 8mm qui partent directement dans le tas de grave de mâchefers commercialisable ;

6. Les éléments supérieurs à 8mm issus de ce crible secondaire sont soumis à un tri des métaux non ferreux, avant de rejoindre le tas de grave de mâchefers commercialisable(7).

### 5.1.2.2 Traitement mécanique en Europe

Au niveau européen, toutes ces étapes ne sont pas toujours réalisées. Le tableau suivant montre quels sont les pays qui utilisent les étapes de traitement mécanique.

<table><caption>Tableau 22 : vue européenne des traitements mécaniques sur les mâchefers [60]</caption><thead><tr><th>Pays</th><th>Criblage</th><th>Récupération des ferreux</th><th>Récupération des non ferreux</th><th>Exigence de maturation</th><th>Remarques</th></tr></thead><tbody><tr><td>Allemagne</td><td>X</td><td>X</td><td>parfois</td><td>X (3 mois minimum)</td><td></td></tr><tr><td>Autriche</td><td>X</td><td>X</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Belgique</td><td>X</td><td>X</td><td>parfois</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Danemark</td><td>X</td><td>X</td><td>X</td><td>X</td><td></td></tr><tr><td>France</td><td>X</td><td>X</td><td>X</td><td>X (&lt; 12 mois)</td><td></td></tr><tr><td>Grande Bretagne</td><td>X</td><td>X</td><td>parfois</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Italie</td><td>X</td><td>X</td><td>parfois</td><td></td><td>Traitement par des ciments ou des agents chimiques possible</td></tr><tr><td>Pays Bas</td><td>X</td><td>X</td><td>X</td><td>X (6 semaines minimum)</td><td>Traitement par des ciments possible</td></tr></tbody></table>

La maturation et les traitements par agents chimiques ne sont pas obligatoires dans certains pays. Cela peut notamment se comprendre en Autriche ou il n'y a pas de politique de valorisation ; la maturation n'est donc pas nécessaire.

Par ailleurs, comme en France, la récupération des non-ferreux n'est pas réalisée de manière systématique même si elle a tendance à se généraliser.
### Exemples de techniques de traitement des mâchefers en Europe :

Lors d'un colloque à Bruxelles sur les possibilités d'utilisation des mâchefers [7], le CEWEP a présenté des schémas de traitement des mâchefers en Europe.

Dans le schéma type classique, les mâchefers sont issus d'une UIDND après un refroidissement humide (le plus répandu) puis ils subissent le traitement décrit dans la figure suivante :

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>Figure 43 : Schéma européen type de production de mâchefers élaborés [7]</figcaption></figure>

On peut noter que dans ce type de schéma, la valorisation des métaux est poussée. La destination des gros éléments n'est pas évoquée mais on peut imaginer une étape de broyage/concassage avant une réintroduction dans la boucle.

Selon le CEWEP, cette technologie est rentable de par les rendements obtenus pour la séparation des métaux ferreux et non-ferreux.

Ce schéma n'est pas très éloigné des schémas classiquement utilisés en France même si la séparation des métaux (surtout les non ferreux) est plus poussée.

### 5.1.2.3 Evolution des traitements mécaniques

En France, l'optimisation des traitements mécaniques semble essentiellement passer par l'optimisation du nombre de fractions traitées afin d'améliorer la qualité de la grave de mâchefers mais surtout afin d'améliorer la récupération des métaux ferreux et non-ferreux.

Sur la base de notre étude, sur les 25 plateformes ayant fournies les informations nécessaires, 56% d'entre elles séparent les mâchefers en deux fractions et 36% vont au-delà (avec 3 voire 4 fractions). Les plateformes possédant plusieurs fractionnements ont plutôt des capacités assez importantes pour pouvoir investir dans un procédé optimisé.
La maille des différentes fractions est très variable mais en général on retrouve une petite fraction (maille inférieure 31,5 mm sur 35% des installations ; la maille va de 0-6 mm à 0-31,5 mm). C'est essentiellement sur cette petite fraction que les optimisations ont eu lieu.

Selon les installations, le nombre de cribles, d'overbands ou de machines à courant de Foucault varient. On trouve des installations pouvant être équipées de 5 overbands et de 3 machines à courant de Foucault. Le nombre d'équipements n'est pas forcément représentatif du nombre de fractions. En effet, il est possible qu'un flux soit divisé en 2 afin d'optimiser l'efficacité de l'équipement, c'est notamment le cas pour la séparation des non-ferreux.

La principale optimisation sur les plateformes semble donc se situer au niveau de la valorisation des métaux et notamment celle des non-ferreux comme le montre le tableau suivant :

<table><caption>Tableau 23 : Part des métaux ferreux et non ferreux récupérés</caption><thead><tr><td></td><td>Ferreux</td><td>Non ferreux</td></tr></thead><tbody><tr><td>ADEME 2002</td><td>5,5%</td><td>0,4%</td></tr><tr><td>AMORCE 2010</td><td>8,9%</td><td>0,8%</td></tr><tr><td>Etude en cours</td><td>6,4%</td><td>0,7%</td></tr></tbody></table>

Depuis un certain temps, le traitement mécanique a tendance à s'industrialiser et s'appliquer à différentes tranches granulométriques des mâchefers afin :

* d'en extraire le maximum de métaux,

* de mieux préparer la grave de mâchefers à son usage futur.

Des technologies récentes telles que celle développée initialement par l'Université Technologique de Delft aux Pays-Bas, reprise par la société Inashco, consistent à appliquer une succession de tris mécaniques et passage en courant de Foucault, à la fraction 2 à 12 mm. La société Inashco, qui n'existait pas en 2007, a déjà un CA de plus de 50 M€ en 2013 et a installé ses machines sur plus de 10 sites de maturation de mâchefers en Europe.

La société Inashco ne communique pas sur le cœur de son process (considéré comme secret industriel). Elle propose un modèle économique basé sur l'exclusivité de l'utilisation de son procédé et sur la « location » d'équipements et de personnels pour préparer les fractions qui seront ultérieurement traitées au Pays-Bas. Selon les informations recueillies auprès du commercial France, ce modèle n'a pas encore été testé en France mais des discussions sont en cours.

Outre ce modèle économique difficile à gérer pour les exploitants, la société Inashco ne s'intéresse, selon les contacts que nous avons pu avoir avec eux, qu'aux plateformes de plus de 100 000 tonnes (des études sont en cours pour diminuer ce seuil) ce qui limite son intervention potentielle en France (environ 7 plateformes ont été identifiées par la société dans le cadre de leur prospection).

D'autres sociétés comme l'allemand Elly Nickels procède d'une manière similaire (travail sur les fractions les plus fines et « location » d'équipements et de personnels) mais sur des plateformes de plus petites tailles. Au moins une plateforme est équipée par cette société.

La société LAB dispose également depuis peu d'un procédé, RecupLAB.

Après cette étape de traitement mécanique, les mâchefers élaborés deviennent utilisables pour les travaux en technique routière. Cependant, pour améliorer leur comportement, des traitements plus spécifiques peuvent être réalisés.
### 5.1.2.4 Synthèse

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de traitement sec des mâchefers :

<table><caption>Tableau 24 : synthèse de la filière de traitement sec des mâchefers</caption><tr><td>Pertinence technique</td><td>Bonne et à adapter en fonction des besoins des filières de valorisation</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>Dépend du niveau de valorisation des métaux</td></tr><tr><td>Maturité de la technique</td><td>Mature</td></tr><tr><td>Filières adaptées</td><td><ul><li>Techniques routière</li><li>Béton si performant</li></ul></td></tr><tr><td>Leviers</td><td>-</td></tr><tr><td>Freins</td><td>-</td></tr></table>

## 5.1.3 Traitement et formulation des mâchefers

Pour pouvoir être utilisés dans une plus grande diversité de domaines et augmenter leur qualité, les mâchefers élaborés peuvent subir des traitements et des formulations Ces opérations sont réalisées en IME. En 2012, 27% des IME pratiquaient ces traitements supplémentaires [1].

Trois types de traitements existent dont le but est de modifier les caractéristiques des mâchefers élaborés : le traitement aux liants hydrauliques, le traitement aux liants hydrocarbonés et la formulation.

### 5.1.3.1 Traitement aux liants hydrauliques [20]

Le principe de ce traitement est d'ajouter un liant hydraulique aux graves de mâchefers afin d'optimiser leurs performances mécaniques.

Un liant hydraulique est une matière minérale qui au contact de l'eau fait prise et durcit et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité même sous eau. Les liants utilisés pour le traitement des graves de mâchefers sont des ciments très souvent composés ou des liants hydrauliques routiers. Les dosages couramment pratiqués sont de quelques pourcents (2 à 5%).

Le traitement des graves de mâchefers aux liants hydrauliques est une orientation prise par certains opérateurs qui permet :

* ✓ une meilleure homogénéisation du matériau,

* ✓ l'obtention de performances mécaniques supérieures à celles d'une grave de mâchefers non traitée élargissant ainsi le domaine d'emploi.

Certains éléments comme le plomb ou le zinc peuvent, pour des teneurs relativement élevées générer un ralentissement des réactions d'hydratation et perturber ainsi le temps de prise du matériau et éventuellement ses performances mécaniques. Ce problème se posera davantage avec les fractions fines des mâchefers élaborés plus riches en métaux lourds.
Il est à noter également que l'introduction de liants hydrauliques peut favoriser l'oxydation de l'aluminium métal sous forme d'hydroxyde d'aluminium susceptible de générer des gonflements dans un matériau induré. Ces effets indésirables sont maintenant bien connus et généralement maitrisés.

### 5.1.3.2 Traitement aux liants carbonés [4]

Le traitement aux liants carbonés correspond au mélange de la grave de mâchefer avec du bitume sous forme d'émulsions ou de mousse au matériau.

Les avantages de cette méthode sont les suivants :

* ✓ Une seule réaction de rigidification a lieu dans ce procédé ; aucune réaction chimique ne vient modifier la composition des mâchefer ;

* ✓ Le mélange obtenu est stable et supprime donc les risques de gonflement.

Actuellement, ce type de traitement est moins utilisé que le traitement aux liants hydrauliques. Les graves de mâchefer ainsi traités seront davantage utilisées dans les structures de chaussées souples.

### 5.1.3.3 La formulation [3]

Pour améliorer les performances mécaniques des graves de mâchefer et élargir leur domaine d'application, une troisième méthode existe : la formulation de grave de mâchefer. Il s'agit de recomposer un matériau en mélangeant à la grave de mâchefer d'autres fractions granulaires d'origine naturelle ou non. Le but principal est de diminuer la sensibilité à l'eau de la grave de mâchefer. De la même manière, la grave de mâchefer peut être utilisée comme correcteur granulaire d'un sable (apport de fines).

Les graves de mâchefer traitées ou formulées font l'objet de nouvelles caractérisations afin de déterminer leurs caractéristiques mécaniques et ainsi définir les types d'applications envisageables.

## 5.2 Valorisation en technique routière

La valorisation en technique routière est la voie principale dans le recyclage de la grave de mâchefer. En effet, en 2012, 77% des IME valorisaient leurs mâchefer élaborés par cette technique (le reste étant valorisé en remblais de friches industrielles jusqu'au 1er juillet 2012 ou en ISDND) [1]. L'avantage principal est d'obtenir leur écoulement massif. La demande en granulats naturels ou recyclés est très importante mais les quantités de matière première diminuent. De plus, les caractéristiques que possèdent les graves de mâchefer (texture granuleuse) leur confèrent une bonne portance pouvant être utilisés dans ces techniques. Il est possible d'utiliser les lots de mâchefer élaborés dans plusieurs types de constructions : en remblai et en couche de forme. Pour n'importe quelle utilisation, les contacts entre les mâchefer élaborés et les eaux météoriques devront être limités afin d'éviter une lixiviation des polluants et de diminuer leur portance.
Pour que les mâchefers élaborés soient plus attractifs, les fournisseurs leur donnent souvent un nom commercial : YPREMA les vend sous le nom d'écograve, TIRU sous le nom de grave urbaine, CASSOUS GROUPE sous le nom de valograve, le nom de scrograve est donné par EUROVIA VINCI et écostrat par TTM environnement.

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Figure 44 : différentes couches routières [61]</figcaption></figure>

### 5.2.1 Remblai

Suite à l'arrêté du 18 novembre 2011, les graves de mâchefers peuvent être utilisées dans la construction de remblai. Ils rempliront des zones creuses ou des zones pour surélever un terrain.

Pour le type 1, les mâchefers élaborés seront utilisés pour des remblais :

* ✓ sous ouvrage revêtu ;

* ✓ sous des ouvrages d'art (pont, tunnel) ;

* ✓ de tranché en zone revêtue ;

* ✓ sous parking revêtu, pistes cyclables et piétonnes ;

* ✓ de voie de transport collectif de surface revêtue.

Pour le type 2, les mâchefers seront utilisés pour :

* ✓ des merlons phoniques ;

* ✓ des merlons paysagés ;

* ✓ des remblais de tranchée ;

* ✓ de plateformes < 6m au sein d'ouvrage routiers recouverts [3].

Durant le transport et la mise en forme des mâchefers dans les remblais, plusieurs problèmes peuvent se poser. Des techniques d'aération, d'arrosage ou d'humidification peuvent être employées afin de les limiter. Par exemple, les émissions de poussière des mâchefers peuvent être réduites par un traitement d'arrosage avant et après le transport. Le compactage réalisé durant la construction sera à optimiser en fonction de l'état hydrique des mâchefers ; un compactage faible quand il est humide et fort lorsqu'il est sec [4].
### 5.2.2 Couche de forme

Pour les remblais et les couches de formes, tous les types de mâchefers peuvent être utilisés (non traités, traités, formulés). Cependant, cette couche étant plus haute dans la structure routière, les mâchefers doivent satisfaire certains critères comme une insensibilité à l'eau, une résistance mécanique et un comportement au gel. Des couches de 3 à 70 cm d'épaisseur de mâchefers sont utilisées nécessitant des volumes plus faibles que pour l'utilisation en remblais. Si la couche d'assise n'est pas rapidement réalisée, la couche de forme devra être protégée par un enduit gravillonnaire pour éviter la dégradation du mâchefer (modification de l'état hydrique). De plus, une attention particulière doit être portée à la compatibilité entre l'enduit et le mâchefer, notamment en termes de pH. Selon l'usage routier de type 1 dans l'arrêté du 18 novembre 2011, les mâchefers pourront être utilisés plus spécifiquement dans les couches de formes de chaussée revêtue.

### 5.2.3 Couche d'assise

Selon l'usage de type 1, les mâchefers peuvent être utilisés dans des couches d'assises de chaussée revêtue et plus particulièrement dans la couche de fondation. Les conditions d'utilisation doivent respecter les normes XP P 18-540 (granulats) et NF P 98-129 (grave non traitée). Pour éviter tout problème de gonflement ou de contaminations des eaux de pluie par des polluants restants dans le matériau, seuls les mâchefers traités aux liants hydrauliques, carbonés ou formulés avec un autre matériau améliorant les caractéristiques physiques seront utilisés.

### 5.2.4 Utilisation en Europe

En Europe, chaque pays ayant sa propre réglementation, les valorisations des mâchefers élaborés sont différentes. La plupart des pays tentent de valoriser leurs déchets afin de limiter la consommation de granulats naturels utilisés notamment dans la construction (GC, routes, digues...).

A travers le tableau 5, on note que les mâchefers sont utilisés principalement en travaux routiers, travaux de génie-civil et utilisés comme matériel pour la construction de site d'enfouissement.

Ils sont parfois utilisés dans des digues comme aux Pays-Bas et au Danemark, mais cela est impossible à réaliser en France car les zones de présence d'eau sont interdites pour l'utilisation de mâchefers.

Au Danemark, les mâchefers sont également utilisés pour les travaux routiers mais pour une multitude d'autres applications. 98% des mâchefers élaborés danois sont utilisés comme granulats de sous base pour les bâtiments industriels, les petites routes, des parkings, des digues et des voies d'accélération des autoroutes.

En Allemagne, les filières de valorisation des mâchefers sont proches des pratiques françaises. Ils sont notamment utilisés en couche de base pour les routes et les parkings dans les secteurs publics et privés. Ils servent également de matériau pour les merlons. La plupart du temps, ils sont utilisés sans additif mais un traitement à hauteur de 8 à 10 % de ciment est réalisé dans certains cas pour améliorer les performances du matériau. Ce dernier produit est vendu sous le nom commercial de « emvaumix » [60].
## 5.3 Coût de la valorisation en technique routière

Le coût de la valorisation en technique routière peut être décomposé en deux étapes :

* ✓ le coût d'évacuation des MIDND en IME à partir des UIDND ;

* ✓ le coût de la valorisation en technique routière à proprement parlé.

Les différents contacts que nous avons pu avoir avec les exploitants de UIDND et des IME n'ont pas permis d'obtenir des coûts récents car ces informations sont considérées comme confidentielles surtout dans un contexte économique difficile.

La principale source d'informations sur ces sujets reste donc l'enquête de AMORCE sur l'état des lieux de la gestion des mâchefers datant d'octobre 2012.

Dans le cadre de cette enquête, AMOCE a sollicité 129 UIOM et 40 IME ; 63 UIOM et 12 IME ont répondu.

### 5.3.1 Coût d'évacuation des MIDND en IME

Sur la base de cette étude, il a été établi que le coût d'évacuation des mâchefers en IME variait de 5,00 €HT/t à 55,00 €HT/t. La variabilité des coûts dépend de plusieurs paramètres :

* ✓ le contexte local ;

* ✓ la distance entre l'UIDND et l'IME (transport) ;

* ✓ le type de préparation des mâchefers (déferraillage ou extractions des métaux ferreux et non ferreux)

### 5.3.2 Coût de la valorisation

Sur la base de cette étude (19 installations comprenant des IME et des UIDND), il a été établi plusieurs cas :

* ✓ 26% donnent gratuitement les graves de mâchefer aux sociétés de Travaux Publics ;

* ✓ 32% vendent les graves de mâchefer entre 1,00 €HT/t à 2,50 €HT/t ;

* ✓ 42% paient les sociétés de Travaux Publics entre 4,70 €HT/t à 7,62 €HT/t pour évacuer les graves de mâchefer.

On peut également noter que certaines sociétés publient des plaquettes de prix. A titre d'exemple, l'écograve d'Yprema est affichée à un prix de vente entre 3,50 €HT/t et 7,10 €HT/t en région parisienne selon le site de production. Il est à noter que ces prix affichés constituent un maximum nettement supérieur aux chiffres proposés par AMORCE.
## 5.4 Synthèse

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière classique de traitement et de valorisation des graves de mâchefers en technique routière :

<table><caption>Tableau 25 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefers en technique routière</caption><tr><td>Traitement obligatoire (selon AM du 18/11/2011)</td><td>Maturation, séparation des métaux (ferreux et non ferreux) et des imbrûlés...</td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td><ul><li>Bonne si traitement approprié</li><li>Performance en adéquation avec les besoins de la filière</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td><ul><li>Filière soutenue par le gain économique du tri des métaux</li><li>En France, concurrence forte des matériaux naturels peu coûteux dans certaines régions et d'autres produits recyclés (bétons, laitiers...)</li></ul></td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td>Adaptés : 209 Mt en 2013 de granulats utilisés en travaux routiers et ferroviaires, VRD...</td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td>Mature - Possibilité d'optimisation des traitements amont (tri des métaux notamment)</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>Implication forte des différents acteurs de la filière en vue de faire connaître et de privilégier l'utilisation de la grave de mâchefers</td></tr><tr><td>Freins</td><td>Contraintes administratives de suivi</td></tr></table>
# 6 TRAITEMENT EN VUE D'UNE VALORISATION SPECIFIQUE

D'autres traitements, récents ou non, existent afin d'optimiser les caractéristiques des mâchefers : le refroidissement à l'air, la carbonatation accélérée et la vitrification.

Ces traitements sont peu mis en œuvre à l'échelle industrielle et pour ceux qui le sont, les applications n'ont eu lieu qu'à l'étranger.

## 6.1 Refroidissement à l'air

Cette technique de refroidissement à l'air des mâchefers a pour but d'obtenir une meilleure quantité et une meilleure qualité de métaux afin de les extraire par la suite et de les recycler. Cette méthode est actuellement uniquement utilisée dans une UIOM en Suisse. Ce projet nommé Zentrum für nachhaltige Abfall und Ressourcennutzung (ZAR) a été mis au point en 2009 dans le site de l'UIOM Hinwil en Suisse. Il a été lancé par le Service des déchets, de l'eau, de l'énergie et de l'air du canton de Zurich (AWELL), l'association suisse des chefs d'exploitation et exploitants d'installations de traitement des déchets (ASED) et le Zwekverband Kehrichtverwertung Zurcher Oberland (KEZO).

Selon les premiers retours d'expérience, les principaux avantages de cette technique par rapport à la technique classique sont :

* un brûlage plus complet par une postcombustion des résidus organiques ;

* une meilleure qualité des métaux car l'oxydation est diminuée ;

* une réduction de poids de 20% due à l'absence d'eau ;

* une possibilité de séparation directe en fraction fine (0 à 5 mm) et grossière (> 5 mm).

Les inconvénients de cette technique sont notamment l'augmentation d'émission de poussières et des valeurs plus élevées en lixiviation en Sb, Br et Pb.

A ce jour, il n'a pas pu être prouvé que l'utilisation de la grave de mâchefers issue de cette technique était possible. En effet, la valorisation des mâchefers est interdite en Suisse où ce procédé est utilisé. Elle est donc, pour l'instant, réservée au cas où la grave de mâchefers est destinée à être enfouie [7].

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 45 : extraction à sec des mâchefers dans l'UIOM du KEZO [62]</figcaption></figure>

L'entreprise suisse exploite seulement les mâchefers fins (< 5 mm). En effet, ils contiennent davantage de métaux non ferreux. Dans leur procédé, les mâchefers sont tamisés afin d'éliminer les éléments inférieurs à 0,6 mm. La fraction gardée passe dans deux séparateurs magnétiques pour extraire les métaux ferreux. Pour les non ferreux, les mâchefers passent dans un courant de Foucault.

Le mélange de non ferreux obtenu est enfin trié afin d'en extraire de l'aluminium et un mélange de cuivre [62].
<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>Figure 46 : traitement des mâchefer fins [62]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>Figure 47 : traitement du mélange Non Ferreux [62]</figcaption></figure>

Selon les chiffres publiés par le ZAR dans son rapport d'activités de 2013, les rendements (exprimés en masse de métaux recyclables par kilogramme de mâchefer pour des particules de 1,0 à 5,0 mm) est la suivante :

* ✓ Fer : supérieure à 98%;

* ✓ Aluminium : supérieure à 95%;

* ✓ Cuivre : supérieure à 90%.

D'autres sociétés développent également des technologies de refroidissement à l'air.
Le tableau suivant présente la synthèse du refroidissement à l'air des mâchefers :

<table><caption>Tableau 26 : synthèse du refroidissement à l'air des mâchefers</caption><tr><td>Pertinence technique</td><td>Bonne pour la séparation des métaux notamment pour les fractions les plus fines des mâchefers (&lt; 5 mm)</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>Fonction du niveau de séparation des métaux</td></tr><tr><td>Maturité de la technique</td><td>Technologie très peu utilisé en Europe utilisée en Suisse mais sans retour sur les possibilités de valorisation éventuelle (les mâchefers suisses vont en ISD)</td></tr><tr><td>Filières adaptées</td><td>A ce jour, aucune</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>Prix de vente des métaux</td></tr><tr><td>Freins</td><td><ul><li>Implantation nécessitant une surface importante et source de poussières (nécessitant un process intégralement fermé)</li><li>Nécessite une réflexion globale</li><li>Pas de filière de valorisation à ce jour</li></ul></td></tr></table>

## 6.2 Carbonatation accélérée

Lors de la maturation, la carbonatation se réalise sur plusieurs mois et une stabilisation totale n'est pas possible. Cette réaction principale de la maturation peut être améliorée en augmentant le taux de CO₂ dans l'atmosphère sous laquelle les mâchefers sont exposés. Du point de vue économique, cette méthode n'est peut-être pas viable car cela signifierait enfermer les mâchefers dans une chambre avec un surplus de dioxyde de carbone et cela engendrerait des coûts supplémentaires (pompe, construction de la chambre, by-pass...). Pour diminuer ce problème, les fumées sortant du four d'incinération pourraient être utilisées comme source de CO₂. Cette technique permettrait de traiter à la fois les fumées en diminuant la teneur en CO₂ et peut être d'améliorer le traitement des mâchefers [63]. Mais est-ce vraiment une bonne méthode ? Analysons d'abord les différents paramètres qui permettraient d'obtenir une carbonatation optimale des mâchefers sur une période très courte.

Les différents paramètres pouvant avoir un impact sur la carbonatation accélérée sont :

### ✓ L'humidité

Selon plusieurs études [21] [45], l'humidité est un facteur important dans le phénomène de carbonatation. Premièrement, la réaction ne démarrera pas si la teneur en eau est nulle. Le dioxyde de carbone a besoin d'être dissous dans l'eau. Une humidité optimale a été déterminée afin de capter un maximum de CO₂, cette humidité est de 15%. Entre 5 et 10%, le volume de CO₂ capté augmente, après 15% une diminution de ce volume est observée. Cela peut être expliqué par une réaction limitée par la diffusion du CO₂ dans l'eau des pores. Dans notre cas actuel lors de la maturation, il n'est pas possible d'atteindre ce taux optimal. L'humidité des mâchefers est plutôt de 20-30% en sortie d'incinération.

### ✓ La provenance des mâchefers [21]

Les déchets introduits dans les fours d'incinération jouent également un grand rôle dans l'optimisation de cette méthode. En effet, de nos jours, le tri sélectif est beaucoup plus important qu'il y une vingtaine d'années. Les papiers, les cartons et le verre sont triés. Si le tri est réalisé, cela signifie que moins de verre est incinéré. A la sortie du four, les mâchefers sont toujours composés de silice mais beaucoup moins que pour des mâchefers provenant d'une usine où le tri n'est pas réalisé. Or les phases silicatées contiennent du calcium mais n'ont pas la propriété de se dissoudre comme la portlandite.
Par conséquent, dans les cas où le verre est trié, le calcium se retrouvent davantage dans les autres composés et plus particulièrement la portlandite favorisant la carbonatation.

✓ La granulométrie des mâchefers

Dans l'article d'Eva Rendek [45], une expérience a été réalisée pour savoir si la granulométrie des mâchefers était un paramètre important. Une carbonatation accélérée a donc été réalisée dans les mêmes conditions sur deux échantillons (même pression, même température, même humidité) ; le premier tamisé à 4 mm ; le deuxième non tamisé. Au final, l'échantillon tamisé absorbe un plus grand volume de CO2 que le deuxième. L'explication se trouve dans la composition des mâchefers qui varie en fonction de sa granulométrie. En effet, la teneur en calcium augmente alors que la teneur en silice diminue dans les fractions fines. De plus, durant le tamisage, les éléments tels que le verre, les céramiques sont enlevées augmentant les proportions de calcium ainsi que de portlandite.

✓ La pression partielle de CO₂ [45]

Ce dernier paramètre influence la cinétique de la réaction. En effet, sous 17 bars, la réaction de carbonatation est complète au bout de 3h30 et de 2 jours sous 2 bars. Sous des conditions normales, la pression partielle sous condition atmosphérique est de 3,6 10⁻⁴ bar nécessitant une maturation de plusieurs mois. Cependant, ce facteur n'a pas d'impact sur le point de vue thermodynamique sur l'équilibre de la réaction. La même quantité de CO₂ sera absorbée par les mâchefers quelle que soit la pression partielle.

Finalement, d'après plusieurs études de paramètres (à l'échelle laboratoire), la carbonatation semble être un excellent traitement sur plusieurs points :

✓ La carbonatation accélérée permet d'obtenir une stabilisation totale sur des temps plus courts. Contrairement à la maturation qui se réalise sur plusieurs mois, ici en quelques semaines des résultats peuvent être obtenus [24].

✓ Ce traitement permet une réduction du temps nécessaire pour faire passer les teneurs des métaux lourds en dessous du seuil réglementaire. Avant maturation, les valeurs en métaux lourds tels que Cr, Pb, Cd sont au-dessus des limites autorisées. Après carbonatation accélérée (c'est-à-dire en moins de temps qu'une maturation classique), les teneurs de ces éléments sont en dessous des teneurs limites sauf pour le Cu. Cela s'explique par le pH qui se situe, après réaction, aux valeurs minimales de solubilisation de ces éléments polluants. De plus, ces éléments (Cd et Pb) ayant une forte affinité avec les calcites formées sont adsorbés avec ces composants. D'autres composés peuvent se former nommés hydroxydes avec les ions de fer ou d'aluminium par exemple [45].

Cependant, des défauts pour cette méthode ont été trouvés :

✓ Une estimation du pourcentage de CO₂ capté par les mâchefers a été réalisée. Pour 1 tonne d'OM, en moyenne 250 kg de mâchefers sont produits. Ces 250 kg réussiraient à capter seulement entre 0,5 et 1,0% du CO₂ contenus dans les fumées produites de cette tonne d'OM. Ces résultats sont décevants mais au final peuvent apporter un bénéfice sur les caractéristiques des mâchefers du point de vue de la maturation [45].

✓ Une fois traités par les fumées d'incinération, les mâchefers ne peuvent plus être valorisés en technique routière afin de prévenir du relargage des polluants potentiellement captés par les mâchefers lors de la carbonatation accélérée [24].

✓ Le projet est éventuellement à poursuivre car à ce jour il n'a été testé qu'en laboratoire mais économiquement, il ne parait pas viable au stade industriel.

La diminution des teneurs en dioxyde de carbone est un avantage mais créer un procédé pour capter seulement 1% de CO₂ n'est pas réalisable. De plus, les mâchefers ayant absorbé le CO₂ sont envoyés en centre de stockage ce qui revient plus chers que de les valoriser.
Selon l'étude AMORCE, le coût d'élimination des mâchefers est de 90 € la tonne alors que les exploitants payent en moyenne 10,15 € la tonne pour des mâchefers valorisables [1].

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de traitement des mâchefers par carbonatation accélérée :

<table><caption>Tableau 27 : synthèse de la filière de traitement des mâchefers par carbonatation accélérée</caption><tr><td>Pertinence technique</td><td>Bonne pour les métaux lourds et le gain de temps mais faible sur les possibilités de valorisation ultérieure</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>Non pertinente au niveau industriel à ce stade des recherches</td></tr><tr><td>Maturité de la technique</td><td>R&D</td></tr><tr><td>Filières adaptées</td><td>-</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>-</td></tr><tr><td>Freins</td><td>-</td></tr></table>

## 6.3 Vitrification

La vitrification transforme complètement le matériau hétérogène que constitue les mâchefers en un matériau vitreux (ou amorphe selon les conditions d'élaboration et de refroidissement) présentant les caractéristiques d'un déchet inerte qui pourrait donc être utilisé à terme dans d'autres applications que dans les techniques routières (par exemple, ajouté dans du ciment ou de la céramique).

Dans un premier temps, il nous faudra expliquer ce principe puis étudier les procédés et ses particularités et enfin la viabilité du process.

### 6.3.1 Principe

La vitrification est un procédé dans lequel les mâchefers subissent une fusion à haute température (entre 1 100 et 1 400°C environ). Le niveau de température doit être adapté de manière à atteindre une viscosité permettant l'écoulement du vitrifiat. A dire d'expert, la viscosité critique à atteindre est en général prise égale à 25 Pa.s ; au-dessus de cette valeur, il est considéré que la viscosité ne permettra pas l'écoulement du vitrifiat.

La viscosité est dépendante de la composition du résidu traité et notamment la répartition entre les différents éléments oxydes : SiO₂, Al₂O₃ et CaO.

Les mâchefers sont plutôt riches en SiO₂ (entre 41 et 51%) avec une teneur en SiO₂ supérieure à celle en CaO (entre 18 et 21%). Ils contiennent également des composés alcalins en quantité significative mais en plus faible proportion (entre 4 et 5% de Na₂O et au environ de 1% de K₂O).

La température de vitrification doit être déterminée pour chaque type de mâchefers mais elle peut être estimée entre 1 150 et 1 350°C (température moyenne de fusion de 1 200°C).

Après refroidissement, on obtient un solide non cristallin (amorphe).
Le refroidissement peut être réalisé de 2 manières :

* ✓ lentement, dans ce cas la coulée est recueillie sous forme de lingot et l'on obtient un vitrifiat amorphe assimilable à un caillou ;

* ✓ rapidement, dans ce cas la coulée est plongée dans un bac d'eau et l'on obtient un vitrifiat granulaire ou techno-sable (solides noirs vitreux plus ou moins divisés ayant une masse volumique de l'ordre de 2 800 kg/m3).

### 6.3.2 Consommation d'énergie

L'inconvénient majeur de la vitrification est qu'elle nécessite un apport d'énergie important. L'énergie nécessaire pour amener 1 kg de mâchefer de 20°C à 1 200°C est de l'ordre de 0,8 kWh. Elle se calcule en cumulant la chaleur spécifique moyenne des mâchefer (environ 1,1 kJ/kg.°C entre 20 et 1 200°C) et la chaleur latente de fusion (environ 0,44 kWh/kg).

Il existe plusieurs moyens de faire baisser l'énergie spécifique nécessaire à la vitrification :

* ✓ Procéder à un refroidissement modéré des mâchefer ; celui-ci peut s'effectuer en utilisant un refroidissement à l'air en sortie d'incinération. Avec ce système, on peut envisager d'utiliser des mâchefer à une température plus élevée (à titre d'exemple, avec des mâchefer à 600°C, l'énergie calorifique spécifique est de l'ordre de 0,62 kWh/kg).

* ✓ Maintenir élevée la teneur en carbone fixe (imbrûlés) ; ce point peut notamment être obtenu en augmentant la vitesse d'avancement de la grille du four d'incinération. Avec un taux de carbone fixe de 5%, l'énergie calorifique spécifique est environ divisée par 2 (on passe de 0,8 kWh/kg à 0,34 kWh/kg). Ce point s'explique par le fait que les imbrûlés sont oxydés dans l'étape de fusion et que cette réaction est exothermique. Mais dans ce cas, il faut rester vigilant pour ne pas trop dégrader la qualité des mâchefer au regard de la réglementation.

* ✓ Utiliser des agents fondants (par exemple, Na₂O) qui permettent de faire baisser la température de vitrification et/ou la viscosité.

### 6.3.3 Procédés

Il existe deux grands types de procédés de vitrification des résidus solides de l'incinération selon que le procédé est intégré ou qu'il constitue un post-traitement.

#### 6.3.3.1 Procédés intégrés

Les procédés intégrés sont des procédés où les mâchefer produits par le procédé de traitement thermique des déchets sont directement vitrifiés sans refroidissement intermédiaire.

Cette première technique est très peu utilisée dans le domaine de l'incinération contrairement aux opérations de traitement thermique des déchets par gazéification à haute température. Cette gazéification permet de craquer thermiquement les goudrons présents dans le syngaz produit dans le but de l'épurer avant son envoi dans une chaudière ou dans un moteur thermique de cogénération.
La gazéification permet de transformer à haute température les matières carbonées, pouvant se trouver dans la biomasse ou les déchets, en gaz combustible. Les déchets sont chauffés dans une atmosphère en défaut d'oxygène. Les types de déchets pouvant servir à ce procédé pourraient être du bois, des combustibles solides de récupération (CSR), des mousses de polyuréthane...

Le gaz chaud obtenu (syngaz) est directement envoyé au four de vitrification. Il transporte une importante énergie thermique mais également un pouvoir calorifique élevé.

Il existe de par le monde plusieurs exemples de ce type d'installation intégrée.

En Allemagne, on peut citer le procédé Carbo V de Choren qui met en œuvre un réacteur à contact direct solide-gaz descendant, en présence d'air ou de vapeur d'eau à haute température (entre 1 200 et 1 400°C).

<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>Figure 48 : Procédé de gazéification haute température (Carbo V)</figcaption></figure>

Ce procédé est multi étagé avec :

* un étage à basse température (environ 450°C) pour la pyrolyse du déchet,

* un étage de broyage du coke produit (pour obtenir une granulométrie de l'ordre du millimètre),

* un étage de gazéification à haute température du coke broyé.

Il permet la vitrification in situ des résidus solides ainsi que le craquage thermique des goudrons produits.

En Italie, on peut citer l'exemple de l'unité JFE de l'usine de traitement des déchets de la ville de Rome. Le procédé utilisé de « Gasifying and Melting Furnace » permet une gazéification avec un air enrichi dans un réacteur travaillant à haute température (environ 1 600°C).

Ce procédé est celui de l'entreprise japonaise JFE qui l'a mis en œuvre sur différents types de déchets sur une dizaine de site au Japon.

En France, un prototype industriel est en cours de développement par CSA3D [64]; l'objectif étant d'affiner et d'optimiser le coût de traitement (en vue d'obtenir un coût de traitement inférieur au coût de traitement actuel, investissements et exploitation compris).
Le prototype envisagé n'est, à ce stade, pas un procédé intégré puisqu'il y a rupture de charge (les mâchefers ne sont pas directement vitrifiés à la sortie du four). Par contre, selon les résultats des essais réalisés sur ce prototype, il pourrait être envisagé de mettre en œuvre la vitrification dès la sortie du four. A ce stade, ce point n'est pas encore défini. Une autre solution pourrait être de mettre en place une installation de vitrification unique qui serait utilisée par l'ensemble des incinérateurs de la région. Dans ce cas, le procédé ne serait pas intégré mais il s'agirait d'un post traitement.

Le procédé envisagé est le suivant :

<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>Figure 49 : schéma de principe du procédé de vitrification-gazéification [64]</figcaption></figure>

Ce système nécessite tout de même de traiter les gaz en sortie de vitrification notamment car ils peuvent contenir des chlorures, des composés soufrés et des métaux lourds qui ne se dissolvent pas dans le liquide fondu.

### 6.3.3.2 Procédés de post-traitement

Cette seconde technique consiste à mettre en œuvre une unité de vitrification indépendante de l'incinération. Actuellement, c'est ce type de procédé qui peut être envisagé en France sur les installations d'incinération existantes.

Après ce type de traitement, les mâchefers auront une masse volumique supérieure et seront transformés en une matrice vitreuse (ou amorphe).

Plusieurs types de fours existent pour réaliser cette post-vitrification :

* fours à oxy-fuel ou oxy-gaz fonctionnant avec de l'air enrichi ou de l'oxygène ;

* fours à arc électrique ou électrodes, en bain de fusion ;

* fours à résistance électrique rayonnante ;

* fours de chauffage par induction en creuset froid ;

* fours à torche plasma.

Comme on peut le constater, ces fours utilisent un apport d'énergie calorifique produit soit par un combustible soit par l'électricité.

Pour les fours à torche plasma, deux types de torches existent : la torche à arc transféré et la torche à arc non transféré. La torche à arc transféré crée un arc entre la pointe de la torche et la paroi conductrice du four. Pour la torche à arc non transféré, l'arc est créé à l'intérieur de la torche et un gaz plasmagène est introduit puis chauffé, pour finalement s'échapper à travers la pointe de la torche.
### 6.3.4 Particularité de la vitrification

Le tableau suivant présente les principales caractéristiques de vitrifiats obtenus à partir de mâchefer en comparaison avec d'autres types de verres.

<table><thead><tr><th></th><th>MSWI bottom ash glass</th><th>Basalt fused cast [14]</th><th>Borosilicate glass [15,16]</th><th>Soda lime glass [16,17]</th></tr></thead><tbody><tr><td>Density [g cm<sup>-3</sup>]</td><td>2.69 ± 0.03</td><td>2.9</td><td>2.22</td><td>2.5</td></tr><tr><td>Thermal exp. coeff. [10<sup>-6</sup>°C<sup>-1</sup>] (20-600 °C)</td><td>9.5 ± 0.5</td><td>10</td><td>3.3</td><td>9.3</td></tr><tr><td>Hardness [GPa]</td><td>5.5 ± 0.2</td><td>5.2</td><td>5.1</td><td>5.3</td></tr><tr><td>Young's modulus [GPa]</td><td>78.5 ± 0.7</td><td>104</td><td>63</td><td>72</td></tr><tr><td>Fracture toughness [MPa m<sup>1/2</sup>]</td><td>0.28 ± 0.04</td><td>1.5</td><td>0.7</td><td>0.72</td></tr><tr><td>Fracture strength [MPa]</td><td>75 ± 6</td><td>64</td><td>60</td><td>41-68</td></tr><tr><td>Brittleness index [µm<sup>-1/2</sup>]</td><td>1.96</td><td>3.5</td><td>7.2</td><td>7.4</td></tr><tr><td>Hydrolytic class [ISO 719]<sup>a</sup></td><td>1</td><td>-</td><td>1</td><td>-</td></tr><tr><td>Alkali resistance [ISO 695]<sup>b</sup></td><td>2</td><td>-</td><td>2</td><td>-</td></tr></tbody></table>

<caption>Tableau 28 : Comparatif des caractéristiques d'un vitrifiât de mâchefer, du basalte fondu, d'un verre borosilicaté et d'un verre sodocalcique [65]</caption>

Ces résultats ont été obtenus à l'échelle laboratoire sur environ 100g de poudre de mâchefer issu d'un incinérateur portugais. Les mâchefer ont été vitrifiés à 1 300-1 400°C pendant 2h, recuits à 600°C pendant 1h et enfin refroidi à température ambiante. A la fin de cette expérience, un matériau uniforme, noir et brillant a été obtenu.

Plusieurs analyses ont été réalisées pour déterminer plusieurs caractéristiques du produit obtenu :

* ✓ La présence ou l'absence de phases cristallines par une diffraction aux rayons X (XRD);

* ✓ La densité des vitrifiats par un pycnomètre à hélium;

* ✓ Les caractéristiques thermiques par une analyse de différence thermique;

* ✓ Les caractéristiques physiques en calculant le module de Young, la solidité et le point de fracture;

* ✓ Les caractéristiques chimiques par lixiviation.

Ces analyses (réalisées en laboratoire) montrent que le vitrifiat obtenu est stable thermiquement et chimiquement, sa solidité et son point de fracture sont semblables aux différents verres trouvés dans le commerce. Il possède donc de très bonnes propriétés environnementales et technologiques. Sa densité est inférieure à celle du basalte, du fait de la présence d'oxydes de fer en quantité plus importante dans le basalte mais reste supérieure aux autres verres.

### 6.3.5 Avantages et inconvénients de la vitrification

La vitrification présente de nombreux avantages :

* ✓ Une homogénéité accrue ; la fusion puis le trempage pour le refroidissement des vitrifiats permettent d'obtenir des granulats assimilables à un techno-sable (particules de moins de 5 mm) beaucoup plus homogène que les mâchefer.

* ✓ Une possibilité de valorisation facilitée des métaux ferreux et non-ferreux; de par leurs propriétés physico-chimiques différentes, les métaux ferreux et non-ferreux peuvent être aisément séparés après la vitrification. La séparation au niveau des mâchefer bruts n'est pas forcément indispensable.

* ✓ Une destruction complète des dioxines et des furannes; les hautes températures nécessaires pour la vitrification entraînent la destruction complète des dioxines et des furannes et le refroidissement rapide des vitrifiats ne permet pas leur reformation.

* ✓ La vitrification permet de bloquer certains métaux lourds sous forme d'oxydes métalliques notamment si la température est basse (< 1 200°C).

<footnote>a 1 - Very high resistance; 2 - high resistance.</footnote>

<footnote>b 1 - Low alkali attack; 2 - slight alkali attack.</footnote>
Ces différents avantages peuvent permettre d'envisager d'autres types de valorisation et notamment l'utilisation en matériau de remblai, l'incorporation dans la fabrication des ciments ou des céramiques...

La vitrification présente également quelques inconvénients :

* ✓ La vitrification ne permet pas de bloquer ni les composés chlorés et soufrés qui sont peu solubles dans la solution fondue.

* ✓ Dans le cas de températures élevées (> 1 400°C), la vitrification ne permet pas de bloquer certains métaux qui peuvent se volatiliser (c'est le cas notamment du mercure, du plomb, du zinc et du cadmium).

* ✓ La vitrification a souvent un coût énergétique élevé.

* ✓ La vitrification est une technologie complexe avec une gestion des éventuelles phases non vitreuses (métaux, sels) qui peut également s'avérer délicate.

* ✓ Un traitement en aval du gaz est nécessaire pour capturer ses polluants.

La vitrification parait être une technique de stabilisation des mâchefers à approfondir à condition d'étudier plus en détails le contrôle et l'optimisation de la consommation énergétique pour la rendre économiquement viable. La reproductibilité avec des MIDND français reste également à valider.

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de traitement des mâchefers par vitrification :

<table><caption>Tableau 29 : synthèse de la filière de traitement des mâchefers par vitrification</caption><tr><td>Pertinence technique</td><td>A relativiser au vu des filières de valorisation envisageables</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td><ul><li>Dépend de l'optimisation et du contrôle de la consommation énergétique</li><li>A étudier, dans le cas d'une conception spécifique</li><li>A considérer de manière globale en incluant l'incinération et la production d'un vitrifiat</li><li>En l'absence de nouvelles voies de valorisation innovantes, l'utilisation de mâchefers vitrifiés pour des applications déjà autorisées est peu pertinente.</li></ul></td></tr><tr><td>Maturité de la technique</td><td>Technologies complexes plus ou moins développées selon les pays mais existence de références hors France</td></tr><tr><td>Filières adaptées</td><td>Techniques routière, ciment, techniques de construction (selon les pays)</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>Réflexion globale aux niveaux technique et énergétique</td></tr><tr><td>Freins</td><td><ul><li>Coût de l'énergie</li><li>Investissement économique lourd dans le cas d'une conception spécifique – Approche globale nécessaire incluant l'incinération</li></ul></td></tr></table>
## 6.4 Traitement humide

Une autre technologie innovante a fait ses preuves en Allemagne, en Belgique (Flandres) et aux Pays-Bas. Après une extraction humide des mâchefers en UIDND, ceux-ci subissent un second traitement humide qui a pour but d'améliorer la qualité de la grave de mâchefers obtenue (en fabriquant un matériau qui peut remplacer les matières premières de construction classiques au sens des règlementations de ces pays) ainsi que celle de la séparation des métaux.

Concernant les métaux, l'exemple de l'installation INDAVER (Belgique), donne une récupération de 11% de métaux ferreux et de 3% de métaux non ferreux. [7]

Par contre, elle présente un inconvénient majeur qui est l'utilisation d'eau (forte augmentation des volumes utilisés) et le traitement associé des effluents liquides.

Cette technologie peut également être combinée avec les technologies de type Inashco.

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de traitement humide des mâchefers :

<table><caption>Tableau 30 : synthèse de la filière de traitement humide des mâchefers</caption><tr><td>Pertinence technique</td><td><ul><li>Bonne mais à relativiser selon les possibilités de valorisation permise</li><li>Très bonne pour la récupération des métaux</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>Bonne au vu de la récupération des métaux mais à vérifier selon le coût de l'approvisionnement et du traitement de l'eau</td></tr><tr><td>Maturité de la technique</td><td>Eprouvée dans quelques pays (Allemagne, Belgique, Pays-Bas) mais inexistante en France</td></tr><tr><td>Filières adaptées</td><td>Techniques de construction et routières</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>Augmentation de la recette globale au niveau de la revente des métaux</td></tr><tr><td>Freins</td><td>Complexité des traitements des eaux et coût de l'eau</td></tr></table>
# 7 AUTRES VOIES DE VALORISATION

D'autres pistes de valorisation existent ou peuvent être envisagées même si elles ne sont pas toutes mises en œuvre à l'échelle industrielle et si ces applications ne sont mises en œuvre qu'à l'étranger :

* ✓ Les matériaux cimentaires ;

* ✓ Les céramiques ;

* ✓ Le Biogaz

## 7.1 Valorisation dans les matériaux cimentaires

Trois axes sont étudiés ou pratiqués :

* ✓ L'introduction des MIDND dans le cru de cimenterie,

* ✓ L'introduction comme constituant secondaire dans les ciments permettant la production d'un ciment composé,

* ✓ L'utilisation comme granulat pour béton ou coulis.

### 7.1.1 Valorisation des mâchefers en cimenterie comme matière première

Les quatre cimentiers Français ont élaboré une charte précisant les limites d'acceptabilité à l'entrée de l'usine des déchets ajoutés directement au cru.

Ces conditions restent très générales et comportent trois points :

1. une teneur minimale en éléments majeurs constitutifs du cru
   $CaO + SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3 \ge 80\%$;

2. des restrictions sur les teneurs en métaux lourds
   $Hg \le 10 \text{ mg/kg}$
   $Hg + Cd + Ti \le 100 \text{ mg/kg}$
   $As + Ni + Co + Se + Te + Cr + Pb + Sb + V \le 10 000 \text{ mg/kg}$

3. une teneur limite en hydrocarbures totaux inférieure à 5 000 mg/kg.

Cependant, en pratique, chaque cimenterie possède des contraintes internes spécifiques à son installation, son approvisionnement et son mode de fonctionnement. Ces contraintes peuvent porter sur des caractéristiques physiques (teneur en eau, granulométrie,...) et chimiques. Outre les métaux lourds et les polluants organiques, les éléments dont les teneurs sont susceptibles d'être limitées sont le chlore et autres éléments halogénés (fluor, brome, iode), le soufre, le phosphore et les alcalins. La présence de corps étrangers est généralement exclue.

En France, l'industrie cimentière est plutôt réticente à la valorisation des MIDND dans le cru des cimenteries et cette voie ne semble pas étudiée actuellement de leur côté.

Les difficultés avancées pour argumenter cette position sont :

* ✓ La variabilité de la composition chimique des MIDND notamment au regard des composants principaux du clinker Si, Al, Fe, Ca qui nécessiterait des contrôles de la composition chimique et une adaptation de la constitution du cru plus fréquents ainsi qu'une étape de pré homogénéisation ;

* ✓ La présence de certains polluants comme les métaux lourds, le chlore, les alcalins ou les imbrûlés susceptibles de dégrader la qualité du clinker (le plomb et le zinc sont des retardateurs de prise bien connus des ciments) ou des fumées (chlore, soufre, COV, etc...).
Par ailleurs, la production de clinker en France étant de l'ordre de 20 000 kt par an, la filière cimentière ne pourrait valoriser qu'une proportion réduite (moins de 600 kT) des tonnages de MIDND produits.

Cette pratique est pourtant envisagée dans d'autres pays et même autorisée en Italie (DM 5/2/97 et 5/2/98, décret législatif 152/2006) et au Japon. Taiheiyo cement Corporation a mis au point une technologie permettant l'incorporation de MIDND dans le cru de cimenterie. Selon Shimoda et al. (2000), la capacité de production du Japon serait de l'ordre de 295 000 T/an avec notamment une usine à Chiba (110 000 T/an) et une usine à Tokyo (130 000 T/an) [66] [67]. Les ciments produits sont de type Portland et baptisés Ecocement®. Deux gammes seraient produites, l'une présentant des teneurs en chlorures suffisamment faibles pour une utilisation en béton de structure, l'autre dont les teneurs en chlorures plus élevées interdisent ce type d'usage mais permettent la fabrication de blocs, chapes, pavées, etc...

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>Figure 50 : Schéma de principe de la technologie d'incorporation au cru des MIDND de Taiheiyo cement Corporation [66] [67]</figcaption></figure>

Différentes études traitent de la valorisation des MIDND dans le cru cimentier, les problématiques qui s'en dégagent sont présentées ci-dessous.

Les quantités introduites sont limitées par la teneur en chlore. Des prétraitements ont été étudiés afin de réduire les chlorures des MIDND et augmenter les taux d'incorporation. Sur des essais en laboratoire, Pan et al. (2008) montrent que l'introduction de 3,5% de MIDND dans le cru ne modifierait pas de manière significative la qualité du clinker produit (composition chimique et minéralogique, temps de prise et développement des résistances) [68].

Une étude similaire a été réalisée par Shih et al. (2003) avec des mâchefers provenant d'une usine de Taipei (Taiwan). Dans ce cas, l'apport en chlorures est réduit en écartant les fractions les plus fines.
Les taux d'incorporation atteints ne dépassent pas les 5% du fait de la forte teneur en silice des mâchefers [69].

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme matière première en cimenterie :

<table><caption>Tableau 31 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme matière première en cimenterie</caption><tr><td>Traitement préconisé</td><td><ul><li>Au minimum séparation des métaux ferreux et non ferreux, séchage et broyage</li><li>Autres prétraitements envisageables selon les taux d'incorporation souhaités et les modifications du procédé cimentier</li><li>Le refroidissement à l'air apparaît pertinent pour la filière</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td><ul><li>Taux d'introduction limité par la teneur en certains éléments (Cl) pour une introduction en cimenterie classique</li><li>La variabilité de la composition chimique nécessite un contrôle accru et des ajustements fréquents</li><li>Taux d'introduction beaucoup plus élevé dans le cas d'une conception spécifique</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td><ul><li>Faible filière cimenterie classique (les taux d'incorporation dans une cimenterie classique étant limités et les contraintes de réutilisation fortes : difficulté au broyage, variabilité de la composition chimique...)</li><li>A étudier, dans le cas d'une conception spécifique</li><li>A considérer de manière globale en incluant l'incinération et la production d'un ciment</li></ul></td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td><ul><li>Faibles pour l'introduction dans une cimenterie standard (potentiel max. de 10 à 20% des MIDND produits en France /an)</li><li>A étudier dans le cas d'une conception spécifique : pourrait concerner la totalité de la production d'un ou plusieurs incinérateurs</li></ul></td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td><ul><li>Différente selon les pays ; peu avancée en France</li><li>Dispositifs industriels en fonctionnement dans le cas d'une conception spécifique</li></ul></td></tr><tr><td>Leviers</td><td>Réflexion globale – production de ciment</td></tr><tr><td>Freins</td><td><ul><li>Variabilité, broyage et séchage</li><li>Investissement économique lourd dans le cas d'une conception spécifique – Approche globale nécessaire incluant l'incinération</li></ul></td></tr></table>
### 7.1.2 Valorisation comme constituant secondaire d'un ciment

Plusieurs études traitent de la valorisation des MIDND comme constituant secondaire d'un ciment (ajout minéral permettant la constitution d'un ciment composé tels que les ciments au laitier ou aux cendres volantes par exemple. Les travaux de Filipponi et al. (2003) montrent que les mâchefers ne développent qu'un faible pouvoir pouzzolanique [70]. Polettini et al. (2004, 2009) ont cherché à développer cette activité pouzzolanique par activation chimique. Leur travaux mettent en évidence que les activateurs à base de sodium ne sont pas efficaces mais que l'addition de CaCl2 améliore le développement des résistances mécaniques aux jeunes âges permettant d'atteindre des performances similaires à celles du ciment Portland témoin [71] [72].

La valorisation comme constituant secondaire d'un ciment implique un broyage fin des MIDND qui ne peut s'opérer qu'après une séparation poussée des métaux ferreux et non ferreux. Le coût de ce traitement semble prohibitif en regard des propriétés médiocres des MIDND pour ce type d'application.

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme constituant secondaire d'un ciment :

<table><caption>Tableau 32 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme constituant secondaire d'un ciment</caption><tr><td>Traitement préconisé</td><td><ul><li>Au minimum séparation des métaux ferreux et non ferreux + broyage fin</li><li>Vitrification à étudier</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td><ul><li>Peu pertinent a priori (très faible pouvoir pouzzolanique)</li><li>A étudier dans le cas d'un traitement par vitrification</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td><ul><li>Peu pertinent dans le contexte actuel</li><li>Coût important du broyage</li><li>chimique,...)</li><li>A étudier, dans le cas d'une conception spécifique</li></ul></td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td>En adéquation (constituants secondaires des ciments ≈ 3 000 kT/an dont ≈ la ½ de fillers calcaires) - Fortement liés à la qualité du mâchefer prétraité</td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td>R&D</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>-</td></tr><tr><td>Freins</td><td><ul><li>Séchage, broyage</li><li>Intérêt technique faible</li></ul></td></tr></table>

### 7.1.3 Valorisation comme granulat pour béton ou coulis

L'utilisation des MIDND comme granulat pour béton a été envisagée très rapidement et les premières études sont relativement anciennes [73]. Très tôt la réactivité des MIDND en présence de ciment et les pathologies susceptibles d'en découler sont identifiées [73], [74].

L'aluminium métal présent dans les mâchefers s'oxyde en milieu basique conduisant à des dégagements d'hydrogène mais également à la formation d'hydroxydes d'aluminium susceptibles de provoquer des gonflements au moins localement [75]. Un autre type d'interaction MIDND/ciment a également été mise en évidence : certains types de verre présents dans les MIDND conduisent à la formation de gels similaires à ceux observés lors des réactions alcali-silice, pathologie des bétons
bien connue [75], [76]. Si les MIDND ou le matériau d'une manière plus générale sont riches en sulfates, ces gels d'aluminium peuvent provoquer la formation d'Ettringite délétère [75].

L'incorporation de MIDND dans les bétons pourrait conduire également à des modifications du comportement aux jeunes âges des bétons, ouvrabilité et retard de prise [76, 74].

Il est donc apparu rapidement que les étapes de traitement post combustion jouent un rôle primordial dans le potentiel de valorisation les MIDND comme granulats pour béton [77].

Les étapes de déferraillage, criblage et retrait des non ferreux sont bien sûr primordiales. Les performances de ces opérations de tri et plus particulièrement du retrait des non ferreux auront un impact direct sur la durabilité des bétons incorporant des MIDND.

Plusieurs équipes ont travaillé sur l'introduction de traitement spécifique améliorant les caractéristiques des MIDND dans un contexte de valorisation comme granulat béton : préoxydation de l'aluminium métal par lavage à la soude [78], lavage à l'eau [79], vitrification [80]. Une équipe italienne a mené des travaux originaux avec pour objectif de produire un granulat artificiel de faible densité à partir des MIDND pour une utilisation béton. Le MIDND est broyé à sec (<125µm) puis au moyen d'un granulateur, les fines ainsi obtenues sont transformées en agrégats de 5 à 20 mm par l'ajout d'eau et de liant (ciment de type CEM II/A-L 42.5R, chaux et/ou cendres volantes de centrales thermiques) [81].

Après deux ans de recherche, l'entreprise VALOMAC (SITA Belgique), a lancé en 2013 la fabrication de blocs de béton préfabriqués baptisés Valoblock® [82]. Il s'agit de blocs en béton empilables, de couleur rouge/rosé réalisés à partir de 70% de mâchefer, 25% de ciment et 5% d'addition.

La préparation des mâchefers s'étale sur 6 mois :

* ✓ 4 semaines de repos sur le site de préparation ;

* ✓ Criblage à 40mm et broyage de la fraction supérieure à 40 mm et réintroduction dans le circuit de traitement ;

* ✓ Broyage de la fraction inférieure à 40 mm et criblage à 20 mm ;

* ✓ Séparation des métaux ferreux par électro-aimants ;

* ✓ Séparation des non-ferreux par courant de Foucault ;

* ✓ Stockage à l'air pendant 18 semaines.

L'étape de traitement des mâchefers permet d'extraire 7% de ferreux, 2% de non-ferreux et 0,5% de plastiques retournant à l'incinérateur.

Les blocs ont subi des tests approfondis dans des laboratoires agréés, selon les normes techniques imposées par le Bureau fédéral de la Normalisation de Belgique : essais sur béton frais, détermination de la masse volumique, teneur en air et résistance à la compression, contrôle de la résistance au gel et aux agents chimiques de déverglacage et résistance à la réaction alcali-silice. Le Valoblock® satisfait en outre aux exigences environnementales des Régions flamande et wallonne).

A priori, ce type de produit n'est pas encore commercialisé, l'entreprise utilise les premiers blocs pour son usage personnel ou celui de ses principaux clients. Les usages visés sont la mise en place rapide de murs sur chantier ou site industriel, la réalisation de délimitations pour voies de circulation, de logettes de stockage, etc...
Eurovia produit un béton de grave de mâchefer commercialisé sous le nom de Scorcan® spécifique au remblayage de tranchée. Il s'agit plus précisément d'un coulis permettant d'assurer la réalisation du lit de pose ainsi que l'enrobage continu et uniforme des canalisations. Son caractère autoplaçant et incompressible affranchit du compactage, opération souvent délicate en tranchée. La grave de mâchefer étant riche en fractions fines, elle est particulièrement adaptée à la production de coulis.

Les travaux sur l'incorporation des MIDND dans les bétons restent encore d'actualité [83]. Les enjeux sont liés à la maitrise de la qualité du granulat de MIDND et de sa variabilité tant d'un point de vue environnemental que technique. Des étapes de prétraitement spécifiques apparaissent indispensables pour ce type de valorisation, tout l'enjeu étant de conserver un équilibre économique.

On notera que dans le projet de norme PR NF EN 12620, granulats pour béton, datant de juin 2011, les MIDND sont intégrés à la liste des matériaux sources pris en considération mais que des exigences complémentaires ont été identifiées en vue de leur inclusion.

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de valorisation des mâchefer comme constituant secondaire d'un béton :

<table><caption>Tableau 33 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefer comme constituant secondaire d'un béton</caption><tr><td>Traitement préconisé</td><td><ul><li>Séparation poussée des métaux ferreux et non ferreux, tri des imbrûlés et maturation</li><li>Tri granulométrique, réalisation de fraction (sable, gravillon)</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td><ul><li>Fortement liée aux étapes de préparation des mâchefer et à la qualité du tri des métaux</li><li>Formulation spécifique, plus adaptée à la préfabrication</li><li>Durabilité à étudier, notamment dans le cas de bétons armés</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td><ul><li>Idem filière technique routière</li><li>Plus adaptée aux filières intégrées (préfabrication proximité IME)</li></ul></td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td><ul><li>Marché plus limité que celui de la technique routière</li><li>Très liés à la qualité des bétons obtenus et les usages potentiels</li></ul></td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td>Essais industriels</td></tr><tr><td>Leviers</td><td><ul><li>Positionner les installations à proximité des plateformes</li><li>Maitrise de la qualité des mâchefer et notamment du tri des non ferreux</li><li>Etude de durabilité (réactivité des verres, aluminium, corrosion des armatures...)</li></ul></td></tr><tr><td>Freins</td><td><ul><li>Durabilité des bétons</li><li>Faibles débouchés des produits non structuraux à durée de vie limitée</li></ul></td></tr></table>
## 7.2 Céramique

La céramique pourrait être également une nouvelle voie de valorisation pour les mâchefers élaborés. Les céramiques sont des composés très hétérogènes et les mâchefers ont une composition proche du feldspath (composé de silice et d'alumine) ; ils pourraient donc remplacer ce composé dans la fabrication de la céramique.

Les mâchefers peuvent être incorporés dans diverses applications. Dans un premier temps, il nous faut expliquer les différentes familles de céramiques, les procédés de fabrication et faire le point sur les exemples d'introduction de mâchefers élaborés déjà réalisés.

### 7.2.1 Définition des céramiques

Les céramiques sont des matériaux inorganiques, composés d'oxydes, de carbures, de nitrures et de borures.

Généralement, elles sont caractérisées par des liaisons fortes de nature ionique ou covalente ce qui se traduit dans la pratique par :

* ✓ une très bonne tenue en température ;

* ✓ une excellente rigidité élastique ;

* ✓ une bonne résistance à la corrosion ;

* ✓ une bonne résistance à l'usure.

Ces caractéristiques peuvent être différentes d'une céramique à une autre. Il existe plusieurs types de classification :

* ✓ en fonction du procédé de fabrication ;

* ✓ en fonction de la température de fusion, de critères chimiques, de la microstructure...

Selon la norme européenne NF EN 14411, les carreaux céramiques sont classés selon leur procédé de fabrication (procédé par extrusion ou par pression) ou leur taux d'absorption d'humidité. De nombreuses études utilisent cette classification. [84]

<table><caption>Tableau 34 : classification des céramiques de la norme NF EN 14411</caption><thead><tr><th>Procédé de fabrication</th><th>Groupe I</th><th>Groupe II a</th><th>Groupe II b</th><th>Groupe III</th></tr></thead><tbody><tr><th>Extrusion (A)</th><td>AI : %porosité &lt; 3%</td><td>AII (a) : 3% &lt; %porosité &lt; 6%</td><td>AIII (b) : 6% &lt; %porosité &lt; 10%</td><td>AIII : %porosité &gt; 10%</td></tr><tr><th>Pressage (B)</th><td>BI : %porosité &lt; 3%</td><td>BII (a) : 3% &lt; %porosité &lt; 6%</td><td>BIII (b) : 6% &lt; %porosité &lt; 10%</td><td>BIII : %porosité &gt; 10%</td></tr></tbody></table>

Plus traditionnellement, les céramiques peuvent être classées selon leur température de fusion : [85]

* ✓ Haute fusion : de 1 289 à 1 390°C ;

* ✓ Moyenne fusion : de 1 090 à 1 260°C ;

* ✓ Basse fusion : de 870 à 1065°C ;

* ✓ Très basse fusion de 660 à 780°C.
Les céramiques peuvent également être classées selon plusieurs critères :

* ✓ La composition chimique :

- Céramique feldspathiques (porcelaines, carreaux poreux) ;

- Vitrocéramiques ;

- Céramique hydrothermaux ;

- Céramique alumineuses ;

- Céramique à base d'oxyde de Zirconium ;

* ✓ La microstructure :

- Matrice vitreuse avec charge dispersées ;

- Matrice hautement voire totalement cristalline ;

- Sans phase vitreuse ;

* ✓ Les procédés de mise en forme :

- Avec armature métallique;

- Sans armature métallique.

L'incorporation des mâchefers peut être envisagée dans plusieurs produits. Plusieurs études ont été réalisées et notamment sur les produits suivants :

* ✓ Les porcelaines sont caractérisées par une absorption d'humidité très faible et de hautes valeurs de densité et propriétés mécaniques. Elles sont composées de 25 à 50% de kaolin, de 50 à 60% de feldspath et de 5 à 10% de quartz. Elles appartiennent au groupe BI. [86]

* ✓ Les carreaux poreux, de moins bonne qualité, sont composés de 30 à 40% d'argile, de 20 à 50% de feldspath et de 10 à 15% de carbonate. [86]

* ✓ Les vitrocéramiques sont des matériaux mis en forme à l'état de verre qui subissent un traitement thermique de cristallisation volontaire, contrôlé et partiel. [85]

### 7.2.2 Procédé de Fabrication

La plupart des céramiques modernes sont préparées à partir de poudres consolidées (mise en forme) et sont ensuite densifiées par un traitement thermique (le frittage).

#### 7.2.2.1 Mise en forme [87]

Les procédés de mise en forme peuvent être classés en trois catégories :

* ✓ Procédés applicables aux matières grenues dit « procédé à sec » : compactage et façonnage sous forme de poudre dans le moule. Ce procédé est utilisé pour des pièces complexes.

* ✓ Procédés applicables aux pâtes plastiques : façonnage par extrusion de la pâte à travers une grille. Ce procédé est utilisé pour les briques.

* ✓ Procédés utilisant la barbotine : mélange à l'état liquide (barbotine), puis séchage dans un atomiseur. Ce procédé est utilisé pour les sanitaires.

Quel que soit le procédé de mise en forme, la matière est séchée pour extraire l'eau libre qui a servi au façonnage puis la matière est cuite.
### 7.2.2.2 Frittage [85]

Après la mise en forme, la céramique est frittée. En élevant la température juste en dessous de la température de fusion (aux environs de 940 à 980°C), le reste de l'eau est « évacué » puis la céramique devient élastique grâce à sa faible viscosité et deux phases se forment : une liquide et une phase cristalline, cette étape est caractérisée par des phénomènes de dissolution et de réprecipitation entre la phase liquide et les particules cristallines.

Au final, le produit obtenu est constitué de grosses particules (agglomération de petites particules), entrainant une diminution de la porosité.

L'étape finale consiste à recuire la céramique afin de fermer totalement les pores, de compressor les couches internes et d'obtenir une surface lisse et brillante.

<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>Figure 51 : Phénomène de frittage [87]</figcaption></figure>

L'ajout de mâchefers élaborés pourra entrainer des modifications sur les propriétés mécaniques des céramiques et cela influera également sur le taux de porosité, les températures de cuisson, les contraintes internes et la microstructure de la céramique.

## 7.2.3 Etudes

Il existe plusieurs études concernant l'incorporation des mâchefers dans les céramiques. Les deux premières études présentées sont parmi les plus pertinentes et représentent un éventail de ce qui peut se faire avec les mâchefers sur des échantillons semi-industriels ou industriels.

### 7.2.3.1 Incorporation dans de l'argile [88]

Une première étude datant de 2012 analyse l'utilisation des mâchefers dans les céramiques argileuses. Les carreaux de céramiques traditionnels sont essentiellement constitués d'argile, de silice et de feldspath.

Le feldspath devenant une ressource rare, il est peut-être économiquement intéressant de le remplacer par d'autres matériaux alternatifs comme les mâchefers. En les ajoutant, le mélange obtenu a d'autres caractéristiques telles qu'une viscosité et une température de frittage plus basse, et un pourcentage de phase vitreuse plus élevé diminuant la quantité de phases amorphes et améliorant ainsi ses propriétés mécaniques.

Pour former cette céramique, 60% de mâchefers et 40% d'argile réfractaire ont été mélangés.
## Données

Les mâchefers utilisés lors de l'étude sont épurés par différents procédés (maturation, criblage et lavage). Ils sont formés d'une phase siliceuse, riche en fer, en calcium et en oxydes d'aluminium.
Deux types de mâchefers sont finalement utilisés :

* L : mâchefers ayant une granulométrie de 2 à 8 mm ;

* F : mâchefers ayant une granulométrie de 0 à 2 mm.

L'argile utilisée est composée de Kaolin (K).

Un premier lot de céramique a donc été fabriqué à partir de mâchefers fins et d'argile : CFK

Un deuxième lot a été fabriqué à partir de mâchefers de plus grandes granulométries et d'argile : CLK.

Ces céramiques ont été préparées par un procédé sec en broyant les mâchefers et l'argile ensemble.
En ajoutant de l'eau, on arrive à moduler la pâte obtenue. Plusieurs températures de frittage ont été testées entre 1 100 et 1 240°C. Des échantillons semi-industriels ont été obtenus.

## Résultats

La composition de ces nouvelles céramiques se distingue de la composition des céramiques traditionnelles par leur faible quantité de silice et leur important pourcentage de calcium, de magnésium et de fer. Au niveau de leur composition minéralogique, les échantillons initiaux se composent de quartz, de kaolin, de calcite et d'akermanite. A 1 200 °C, les échantillons sont formés de quartz, de ghelenite et d'anorthite pour l'échantillon CFK et de quartz et d'anorthite pour l'échantillon CLK.

Cette différence peut entrainer une modification du matériau que ce soit au niveau mécanique ou caractéristique.

Au niveau de la porosité, elle est plus importante pour l'échantillon CLK (30 à 80 µm) que pour l'échantillon CFK (10 à 30 µm). Des pores de tailles réduites sont présents dans les deux échantillons, ce qui est rare dans les céramiques classiques. Cette réduction de taille permet une diminution d'absorption de l'eau.

Les deux échantillons peuvent être répertoriés dans le groupe BI ce qui suggère que le produit obtenu est de très bonne qualité. Ils possèdent également un bon coefficient d'expansion thermique permettant au matériau d'avoir une certaine élasticité et d'éviter les défauts de craquage lors du chauffage.

Des tests de lixiviation ont également été réalisés (référence les seuils réglementaires italiens). Les résultats montrent que la céramique forme une matrice siliceuse bloquant ainsi les métaux lourds. Le frittage est donc une excellente méthode pour bloquer tous les alcalins, métaux lourds et anions présents dans les mâchefers.

En conclusion de cette étude, les mâchefers peuvent être une excellente matière première dans les céramiques composées d'argile. Les phases cristallines obtenues ont permis de mettre en place une matrice SiO₂-Al₂O₃-CaO-Fe₂O₃ pouvant remplacer le feldspath. Le processus de fabrication est modifié par la présence de mâchefers mais les propriétés obtenues sont similaires à des céramiques traditionnelles et pourraient être classés dans la catégorie des céramiques de qualité : BI.

Aucune différence n'est à noter quant à l'utilisation des mâchefers en fonction de leur granulométrie. Les deux produits peuvent être utilisés.
### 7.2.3.2 Incorporation dans les céramiques composées de Silice. [86]

Cette étude de 2010 présente notamment l'intérêt d'utiliser des mâchefers vitrifiés et des mâchefers non vitrifiés pour un essai d'introduction dans une céramique à base de silice que ce soit dans la porcelaine ou dans les carreaux de céramiques.

#### Données

Les mâchefers incorporés sont des mâchefers non traités (U) ou vitrifiés (V). Concernant le prétraitement des mâchefers, les mâchefers U sont déferraillés, séchés et broyés afin d'obtenir une granulométrie inférieure à 300 µm. Les mâchefers vitrifiés (V) sont vitrifiés à 1400 °C durant 1 heure. Ils ont servis à la réalisation d'un carreau de porcelaine et d'un carreau de céramique traditionnelle de qualité standard. Ces échantillons sont formés à l'échelle industrielle.

La porcelaine traditionnelle (P) est composée de 25 à 50% de kaolinite et d'argile, de 50 à 60% de feldspath et de 5 à 10% de quartz.

La céramique standard (M) est composée de 30 à 40% d'argile, de 20 à 50% de feldspath et de 10 à 15% de carbonate.

5% de mâchefers U ont été ajoutés à la céramique simple, l'échantillon sera appelé M5U. Concernant la porcelaine, 4 échantillons ont été réalisés à l'aide de mâchefers vitrifiés et non vitrifiés :

* P2U : 2% de mâchefers non vitrifiés ont été ajoutés ;

* P5U : 5% de mâchefers non vitrifiés ont été ajoutés ;

* P5V : 5% de mâchefers vitrifiés ont été ajoutés ;

* P10V : 10% de mâchefers vitrifiés ont été ajoutés.

Les échantillons préparés ont été réalisés en broyant les mâchefers et les carreaux. La poudre est ensuite séchée dans un four à 110 °C. La granulométrie de la poudre est de 125 µm. La poudre est ensuite compressée pour former un disque.

Pour la céramique standard, le frittage a été réalisé à trois températures : 1 100, 1 120 et 1 140°C.

Pour la porcelaine, le frittage a été réalisé à quatre températures : 1 120, 1 140, 1 160 et 1 180°C.

#### Résultats :

Concernant la composition chimique, les mâchefers U et V sont composés de $SiO_2$, $Al_2O_3$ et de $CaO$ ainsi que d'oxydes alcalins. Les spectres XRD montrent que les mâchefers U sont composés de minéraux tels que du quartz ($SiO_2$), de calcite ($CaCO_3$), de gehlenite ($CaAl_2Si_2O_8$), d'anorthite ($CaAl_2Si_2O_8$) et de traces de gypses ($CaSO_4$, $2H_2O$). La présence d'anorthite révèle une cristallisation plus importante car sa présence est due à la recristallisation du quartz durant le procédé de frittage et sa cristallisation continue durant le refroidissement.

Mais quelles propriétés peuvent apporter à la céramique une cristallisation plus importante ? La céramique peut être plus rigide mais cela peut également apporter une certaine fragilité en cas de choc (risque de cassure).

Les mâchefers vitrifiés V sont quant à eux totalement amorphes.

Après analyses des lixiviats, les mâchefers U relarguent des métaux lourds avec essentiellement du Pb, du Cu et du Mn. Les mâchefers vitrifiés grâce à leur structure amorphe, fixent les métaux et en relarguent en quantité plus faible. Cependant, ces matériaux ne sont pas considérés comme inertes car ils causent des dépassements de seuils réglementaires en Pb et Cu au sens de la règlementation italienne.
En conclusion pour l'ajout de mâchefers dans de la céramique standard, peu de changements ont été remarqués. Une légère augmentation de CaO entraine une diminution de SiO2 et une diminution de quartz. Au niveau des caractéristiques, l'absorption de l'eau suit la même tendance que la céramique naturelle, elle est supérieure à 10%, la classant dans le groupe BIII de la norme NF EN 14411. L'accumulation d'eau à l'intérieur de la matrice, peut entrainer une porosité importante et un risque de fragilisation importante. Les résultats concernant la porosité ouverte, donnent des valeurs semblables pour les deux produits, ce qui implique les mêmes caractéristiques du matériau au niveau solidité. Au niveau composition minéralogique, les deux produits sont constitués de quartz, de plagioclase, d'anorthoclase et de phase vitreuse dans les mêmes proportions. Cette composition est due à l'ajout des matières premières dans les deux matériaux avec ou sans mâchefers.

<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>Figure 52 : Evolution du taux d'humidité absorbé et du retrait linéaire dans la céramique standard (M) et dans la céramique modifiée (MSU)</figcaption></figure>

Pour le cas de la porcelaine, un ajout de 2 et 5% de mâchefers à la place du feldspath provoque certains changements du point de vue chimique : une augmentation progressive de CaO est observée ainsi qu'une diminution de SiO₂ et une augmentation d'oxydes chromophores (Fe₂O₃ et TiO₂). Les profils d'absorption d'eau et de retrait linéaire varient en fonction de l'ajout de mâchefers U ou V. Avec des mâchefers vitrifiés, cela provoque une porosité quasi nulle dès 1 140°C au lieu de 1 160°C (température de frittage traditionnelle pour la porcelaine sans ajout de mâchefers). Ainsi, l'incorporation de mâchefers V permet une légère diminution de température ce qui peut entrainer une économie d'énergie sur le processus de frittage. L'ajout de mâchefers U est moins efficace, la porosité à 1 040°C étant supérieure à celle obtenue pour la porcelaine traditionnelle sans ajout de mâchefers car une plus grande quantité d'eau reste dans la céramique jusqu'à 1 160°C. Le processus est de moins en moins optimisé lorsqu'on ajoute des mâchefers U. Donc cette solution n'est pas rentable d'un point de vue énergétique.
<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>Figure 53 : Evolution du taux d'humidité absorbé et du retrait linéaire dans la porcelaine (P) et dans tous les autres échantillons réalisés : P2U, P5U, P5V et P10V.</figcaption></figure>

Au niveau de la porosité, avec les mâchefers vitrifiés la porosité augmente à cause du phénomène de vitrification qui bloque les bulles d'air durant le chauffage dans la matrice vitrifiée des mâchefers. Cela peut entrainer davantage de fragilités dans le matériau final.

Pour la cristallographie, l'ajout de mâchefers U et V parait faire augmenter la cristallisation de la céramique en augmentant la quantité de plagioclase (dû à l'augmentation du CaO).

Au niveau des analyses de lixiviats, qui ont été réalisées sur les céramiques selon la méthodologie italienne de la norme UNI 10802, les tests montrent, pour des résidus monolithique et granuleux, qu'au-delà de 1 000°C, le développement de la matrice siliceuse bloque les éléments potentiellement dangereux. Ces matériaux peuvent être classifiés comme inertes car le relargage de métaux lourds est très faible.

En conclusion de cette étude, l'intégration de mâchefers vitrifiés ou non dans de la céramique est techniquement faisable. Pour le carreau de céramique standard, l'ajout de 5% de mâchefers ne modifie pas significativement le produit. L'ajout de mâchefers vitrifiés permet une meilleure cristallisation mais aide également à l'optimisation du processus de frittage en diminuant légèrement la température (de 20°C). Les mâchefers vitrifiés ou non peuvent donc être utilisés en industrie céramique sans contrainte particulière dans l'incorporation de carreaux industriels standard et de carreaux de porcelaine.
### 7.2.3.3 Incorporation dans de la vitrocéramique. [89] [90] [91]

Des études montrent que les mâchefers peuvent être également utilisés dans les vitrocéramiques en les ajoutant avec divers composés (cendres de chaudières, déchets aluminiums). Des mâchefers vitrifiés ont même été utilisés. Cependant seules des analyses à l'échelle laboratoire ont été menées. Ces études montrent la faisabilité technique d'introduction de mâchefers vitrifiés ou non dans la vitrocéramique mais uniquement à l'échelle du laboratoire.

Aucune étude n'a été trouvée sur des utilisations industrielles mais dans tous les cas, la production annuelle de vitrocéramique étant vraiment faible en France, ceci ne sera pas la meilleure des pistes à envisager pour la valorisation des mâchefers dans les céramiques.

### 7.2.4 Synthèse

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme constituant secondaire des céramiques :

<table><caption>Tableau 35 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme constituant secondaire des céramiques</caption><tr><td>Traitement préconisé</td><td><ul><li>Séparation des métaux ferreux et non ferreux</li><li>Tri granulométrique (&lt; 8 mm)</li></ul></td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td>Bonne notamment pour les carreaux de céramique standard</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>Peu pertinent au vu des volumes considérés</td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td>Insuffisants pour développer une filière rentable (136 000 t/an de MIDND au maximum en considérant une application maximale dans tous les types de céramiques)</td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td>R&D</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>-</td></tr><tr><td>Freins</td><td>Absence de cadre réglementaire</td></tr></table>

### 7.2.5 Conclusion

Bien que les résultats paraissent concluants concernant l'incorporation de mâchefers dans de la céramique argileuse ou feldspathique, cette faisabilité au niveau technique s'oppose à la faisabilité du point de vue économique.

En effet, les tonnages des céramiques produits en France sont faibles par rapport au tonnage de mâchefers produits annuellement. Environ 733 000 tonnes de céramiques ont été produites au total en 2012. Sur ce tonnage, seulement 680 000 tonnes pourraient être utilisées pour la valorisation des mâchefers (matériaux réfractaires, carreaux, porcelaine et poteries).

Selon le responsable environnement de la société SFC (Société Française des Céramiques) que nous avons pu contacter (Monsieur Pillet) jusqu'à 20% de mâchefers pourraient être introduits dans ce genre de produits soit au maximum environ 136 000 tonnes chaque année. Ce tonnage reste très faible par rapport au 3 millions de tonnes de mâchefers produits annuellement.
De plus, des échantillons ont été réalisés à partir du procédé industriel de fabrication des céramiques mais aucune étude ne montre une incorporation de mâchefer totale sur tout un procédé, en effet les échantillons analysés ont été seulement testés sur quelques grammes de céramiques. Il faudrait donc tester ultérieurement l'incorporation de mâchefer sur un plus grand tonnage.

## 7.3 Biogaz

L'épuration des biogaz d'ISD peut également être une voie de valorisation. Actuellement, ce gaz qui est produit par la fermentation de matières organiques animales ou végétales dans des conditions anaérobies est souvent valorisé dans diverses applications :

* ✓ Production de chaleur seule (apport de chaleur dans les digesteurs ou en ISDND);

* ✓ Production d'électricité seule;

* ✓ Cogénération;

* ✓ Trigénération;

* ✓ Injection de biogaz dans les réseaux de gaz naturels;

* ✓ Carburant automobile.

Le principal problème de cette nouvelle énergie renouvelable est l'épuration qu'elle doit subir avant utilisation du fait de sa composition. Un des traitements qui pourrait être réalisé, est l'adsorption par des mâchefer [92].

### 7.3.1 Composition du biogaz [92]

Le biogaz est composé essentiellement de méthane ($CH_4$), de dioxyde de carbone ($CO_2$) et en faibles proportions d'azote, d'oxygène et d'eau. Le tableau suivant précise ce point :

<table><caption>Tableau 36 : composition moyenne des biogaz d'ISDND et les caractéristiques de ses composés. [5]</caption><thead><tr><th rowspan="2">Composé</th><th rowspan="2">Concentration</th><th colspan="2">Caractéristiques</th></tr><tr><th>+</th><th>-</th></tr></thead><tbody><tr><td>Méthane ($CH_4$)</td><td>45 à 65 %</td><td>Combustible</td><td>Effet de serre</td></tr><tr><td>Gaz carbonique ($CO_2$)</td><td>25 à 45 %</td><td></td><td>Effet de serre</td></tr><tr><td>Hydrogène sulfuré ($H_2S$)</td><td>0 - 2000 ppm</td><td></td><td>Odorant corrosif</td></tr><tr><td>Composés halogénés</td><td>&lt; 300 ppm</td><td></td><td>Odorants/effet de serre</td></tr><tr><td>Azote ammoniacal</td><td>&lt; 20 ppm</td><td></td><td>Odorants</td></tr><tr><td>Eau ($H_2O$)</td><td>Saturé en eau en sortie de puits de captage (≈ 6 % après séchage)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>O<sub>2</sub></td><td>≈ 2 %</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hydrocarbures</td><td>&lt; 0,2 %</td><td></td><td>Odorants</td></tr><tr><td>Mercaptans</td><td>traces</td><td></td><td>Odorants/Corrosifs</td></tr></tbody></table>
Le méthane étant un composé provoquant un effet de serre (21 fois plus puissant que le dioxyde de carbone), la récupération du biogaz d'installation de stockage est obligatoire suivant l'article 19 de l'arrêté du 9 septembre 1997. S'il n'est pas valorisé, le biogaz est détruit par torchère qui le transforme en dioxyde carbone neutre. La valorisation du biogaz d'ISD est plus particulièrement intéressante car la formation de méthane est importante alors que les teneurs en sulfure d'hydrogène sont généralement assez faibles. Si nécessaire un traitement du H₂S peut être mis en place mais ce point peut avoir un impact important sur les coûts.

### 7.3.2 Epuration des biogaz [92]

Plusieurs traitements existent pour éliminer les composés parasites du biogaz.

Selon les effets négatifs de certains composés, les besoins en épuration ne sont pas les mêmes en fonction de la valorisation : [5]

* ✓ Pour une valorisation thermique, l'eau et éventuellement le sulfure d'hydrogène doivent être éliminés ;

* ✓ Pour une valorisation énergétique (électricité, cogénération), l'eau, le soufre et éventuellement les composés organo-halogénés et siliciés doivent être éliminés ;

* ✓ Pour une utilisation comme carburant, l'eau, le sulfure d'hydrogène, le dioxyde de carbone, les siloxanes, et éventuellement les métaux et les organo-halogénés doivent être éliminés ;

* ✓ Pour la réinjection du biogaz dans les réseaux, l'eau, le sulfure d'hydrogène, le dioxyde de carbone, les siloxanes et éventuellement les composés organo-halogénés, les métaux et l'oxygène doivent être enlevés.

Les principaux traitements du biogaz sont : [92]

* ✓ La condensation par cryogénie : cette méthode repose sur l'abaissement des pressions de vapeur des composés volatils en fonction de la diminution de température. A une température donnée, les composés ayant un point de rosée inférieur se verront condensés. Elle permet la condensation d'eau et des COV.

* ✓ L'absorption (gaz-liquide) : c'est un phénomène physique ou chimique lorsque des atomes, ions ou molécules pénètrent dans une autre phase. Les solutés sont fixés dans le volume de cette nouvelle phase. Les facteurs jouant sur la qualité de l'absorption sont le temps de contact entre les deux phases et la capacité d'évaporation du solvant. Deux absorptions existent : physique et chimique.
  L'absorption physique ne modifie pas la nature du soluté. Cette méthode est employée par exemple, avec un lavage à l'eau du biogaz à contre-courant. Cela élimine le CO₂ et les H₂S qui se dissolvent dans l'eau.

Dans l'absorption chimique, le gaz réagit chimiquement avec le solvant utilisé. Cela permet d'augmenter la vitesse d'absorption. Cette réaction peut être réversible ou non. Il faudra bien veiller à choisir le solvant adapté afin de pouvoir réaliser une régénération du solvant.

Cette méthode permet de réaliser l'élimination de H₂S dans le biogaz en transformant ce composé en soufre élémentaire. Pour exemple, les solvants utilisés sont des solutions alcalines ou de soude.
✓ L'adsorption (gaz-solide) : cette méthode consiste à ce que des molécules d'un fluide (adsorbat) se fixent sur la surface d'un solide (adsorbant). Deux adsorptions existent : la physisorption et la chimisorption. La première méthode étant réversible, la deuxième irréversible. Généralement, l'adsorbant le plus utilisé pour le biogaz est le charbon actif. Des systèmes sont mis en place dans lesquels, le charbon actif est placé dans deux silos, l'un dédié au traitement, l'autre à la régénération du charbon. Les noms de ces procédés sont le Pressure Swing Adsorption (PSA) et le Temperature Swing Adsorption (TSA). Leurs principes reposent sur les capacités des adsorbants à être plus efficace à haute pression et basse température et à être régénérer dans les conditions inverses. Ces procédés sont essentiellement utilisés pour l'adsorption de H₂S et des COV.

Enfin, d'autres méthodes existent également comme la biofiltration utilisée pour traiter H₂S et les CO
[93], la membrane à perméation pour épurer le CO₂ et l'oxydation pour traiter les COV.

7.3.3 Potentiel d'épuration du biogaz par les mâchefer s

Une étude menée par le Laboratoire d'Analyse Environnementale des Procédés et des Systèmes Industriels de l'INSA de Lyon pour le compte de NOVERGIE [5] a permis :

✓ de s'assurer de l'aptitude physico-chimique des mâchefer s à interagir avec certains des constituants indésirables des biogaz ;

✓ de quantifier ce potentiel épuratoire ;

✓ d'établir une première estimation du dimensionnement d'une mise en œuvre d'un procédé à l'échelle industrielle.

Une installation pilote a été mise en œuvre sur le site de Roche-la-Molière dans la Loire (42). Un piquage a été réalisé sur l'installation de récupération du biogaz et une colonne d'adsorption a été installée.

Le mâchefer utilisé (MIOM) provenait de l'UIOM de Rillieux-la-Pape dans le Rhône (69) et son humidité a été ramenée à 15% (valeur considérée comme moyenne).

7.3.4 Aptitude épuratoire physico-chimique

Parmi les éléments induisant une gêne, on trouve les composés soufrés et notamment l'hydrogène sulfuré (H₂S) ainsi que les mercaptans (malodorants et toxiques).

L'étude a montré que 1 kg de mâchefer (à 15% d'humidité) absorbe l'équivalent de tout le sulfure d'hydrogène contenu dans environ 19 à 20 Nm³ de biogaz (à 100 ppm V).

Dans le cas des mercaptans, l'analyse est plus délicate car il apparaît que les différents types de mercaptans réagissent différemment avec le mâchefer.

Par exemple, le méthylmercaptan (CH₃-SH) est capté entre 50 et 60% alors que le di-
méthylmercaptan (CH₃-S-CH₃) n'est capté qu'aux environs de 20% (dans les conditions de
l'expérience.
L'étude a également montré :

✓ l'amélioration du potentiel d'épuration des composés soufrés dans le cas d'un mélange mâchefers/coke (à 10% de coke) ;

✓ un potentiel d'épuration très variable pour les COV (bon pour les alcools et les cétones, faible pour les composés organiques chlorés, nul pour les alcanes).

Afin de s'assurer de l'efficacité de l'adsorption, l'étude a réalisé différentes manipulations afin de préciser, parmi les composants retenus par les MIOM, ceux qui étaient susceptibles d'être désorbés à une température inférieure à 50°C (conditions atteignables dans une ISD).

Il ressort de cette partie de l'étude que :

✓ les composés soufrés ne sont pas désorbés ;

✓ certains COV sont relargués mais à de très faibles concentrations (à la limite de sensibilité des chromatographes utilisés).

### 7.3.5 Applications

Les mâchefers peuvent être utilisés comme matériau filtrant sous différentes formes et notamment utilisés comme :

✓ couverture des ISD ;

✓ élément de process.

#### 7.3.5.1 Couverture des ISD

**Rappel sur les ISD**

Les installations de stockage :

✓ sont implantées dans un contexte géologique et hydrogéologique favorable (type de sol, inclinaison du terrain...) présentant une barrière sécurité passive efficace (perméabilité inférieure à $10^{-9}$ m/s sur au moins un mètre et inférieure à $10^{-6}$ m/s sur au moins cinq mètres) ;

✓ sont protégées par une barrière de sécurité active constituée par une géomembrane surmontée d'une couche de drainage (épaisseur supérieure à 30 cm) ;

✓ sont exploitées par casiers, eux-mêmes éventuellement subdivisés en alvéoles de 2 000 à 5 000 m² ;

✓ sont équipées d'un réseau de drains permettant l'évacuation des lixiviats vers un collecteur principal ainsi que d'une installation de stockage et de traitement de ces lixiviats ;

✓ sont équipées d'un réseau de drains permettant la captation du biogaz (pour mémoire, une tonne d'ordures ménagères permet de produire environ 150 m³ de biogaz) et éventuellement d'installation de valorisation de ce biogaz (moteurs...).

Les déchets sont stockés en couches successives couvertes de matériels de recouvrement (terre, argile...) tous les 1 à 2 m et compactées de manière régulière. La hauteur totale de couche peut atteindre environ 20 m.
## Dimensionnement théorique pour une alvéole « test » :

Sur la base des taux de captation mis en évidence lors de la première partie de l'étude [5], il a été proposé un modèle de mise en œuvre d'une installation pilote sur une alvéole (3 500 m²) afin de permettre de valider les résultats obtenus. L'étude préconise d'isoler cette alvéole « test », notamment en ce qui concerne la récupération des lixiviats, afin de contrôler au mieux les opérations et les différentes interactions. L'opération et la comparaison avec une alvéole « témoin » permettra de confirmer l'épuration effective du gaz mais également, de s'assurer que la charge filtrante ne perturbe pas le processus biologique de dégradation des déchets, ni la qualité des lixiviats. Cette installation reste à mettre en œuvre.

Ces estimations sont résumées dans le tableau suivant :

<table><caption>Tableau 37 : pré-dimensionnement d'une alvéole « test » [5]</caption><thead><tr><th></th><th>Sans drains horizontaux</th><th>Avec drains horizontaux</th></tr></thead><tbody><tr><td>Hauteur de la couche de MIOM (pré-dimensionnée pour capter 100% des composés soufrés)</td><td>20 cm</td><td>20 cm et 20 cm autour des drains horizontaux</td></tr><tr><td>Quantité de MIOM par m² de surface de déchets recouverts</td><td>≈ 300 kg/m²</td><td>≈ 300 à 310 kg/m²</td></tr><tr><td>Rythme d'approvisionnement de MIOM pour traiter 1 couche d'OM de 3 500 m²</td><td>1 050 t (1 mois sur 2)</td><td>1 050 à 1 085 t (1 mois sur 2)</td></tr><tr><td>Quantité de MIOM nécessaire pour traiter une alvéole de 10 couches d'OM</td><td>10 500 t sur 20 mois</td><td>10 500 à 10 850 t sur 20 mois</td></tr></tbody></table>

## Mise en œuvre sur le terrain

Selon les informations recueillies auprès de certains exploitants d'ISD, il existe des études en cours sur l'utilisation de mâchefers dans leurs centres de stockage, notamment pour participer à une première épuration du biogaz. En effet, comme vu ci-dessus, les mâchefers disposent d'un pouvoir d'adsorption notamment pour les composés soufrés.

A ce jour, ces exploitants ne souhaitent pas donner d'informations précises quant à la quantité de mâchefers à utiliser ou à leur répartition. Une nouvelle thèse est actuellement en cours sur le sujet à l'INSA de Lyon.
## Synthèse

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme couche filtrante dans les ISD :

<table><caption>Tableau 38 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme couche filtrante dans les ISD</caption><tr><td>Traitement préconisé</td><td>Minimum</td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td>Bonne notamment pour le traitement des composés soufrés du biogaz</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>Bonne mais variable selon les régions</td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td>Importants (très gros volumes)</td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td><ul><li>Essais pilotes</li><li>En cours de développement</li></ul></td></tr><tr><td>Leviers</td><td><ul><li>Possibilité d'utiliser des mâchefers non valorisable à ce jour en technique routière</li><li>Proximité des UIDND et des ISD</li></ul></td></tr><tr><td>Freins</td><td><ul><li>Eloignement des UIDND et des ISD</li><li>Prix des mâchefers</li></ul></td></tr></table>

### 7.3.5.2 Enceinte filtrante

Des études ont été réalisées pour utiliser les mâchefers comme matériau filtrant et des brevets ont même été déposés

Selon le brevet déposé pour le compte de SITA Bioénergies [94], l'existence d'un tel procédé se justifie par la nécessité de disposer d'installation fixe ou mobile utilisable sur des champs d'application moins restreint que sur les ISD.

Les mâchefers sont placés dans une enceinte étanche sur des supports qui peuvent être fixes ou en mouvement. Cette enceinte est alimentée en biogaz à un ou plusieurs niveaux. La répartition du biogaz dans la charge filtrante peut être assurée par des moyens de circulation adaptés.

Selon les auteurs, des produits de charge ou additifs (de manière optimale avec moins de 20% en poids) peuvent être mélangés aux mâchefers en vue d'optimiser la capacité de filtration (amélioration de la porosité, de l'aération de la charge, des propriétés mécaniques ou chimiques de la charge traitante...).

La figure suivante présente un exemple de filtre :

<figure><img src="image_55.png" /></figure>
Avec :

<table><caption>Figure 54 : Exemple d'installation de filtration du biogaz</caption><tr><td>1</td><td>Enceinte étanche</td><td>7</td><td>Grille support</td></tr><tr><td>2</td><td>Charge traitante</td><td>8</td><td>Vanne de sortie du biogaz épuré</td></tr><tr><td>3</td><td>Mâchefer</td><td>9</td><td>Pressostat</td></tr><tr><td>4</td><td>Vanne d'alimentation</td><td>10</td><td>Compresseur</td></tr><tr><td>5</td><td>Rampe de dispersion</td><td>11</td><td>Pressostat</td></tr><tr><td>6</td><td>Espace vide sous le charge</td><td>12</td><td>Tubes de distribution</td></tr></table>

La figure suivante présente le débit de biogaz (en Nm³/h) et le taux d'abattement (en %) en fonction du temps (en jours) :

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>Figure 55 : débit de biogaz (en Nm³/h) et taux d'abattement (en %) en fonction du temps (en jours)</figcaption></figure>

Les auteurs indiquent que la capacité d'abattement peut être de l'ordre de 90% en 80 jours ce qui est assez cohérent avec les éléments issus de la thèse citée précédemment [5].

La question de la destination des mâchefers saturés en éléments polluants n'est pas évoquée dans les documents étudiés mais il est probable que la seule voie de traitement soit l'élimination en ISDD (au vu des polluants absorbés) mais ce point nécessitera des études détaillées.

## Synthèse

Le tableau suivant présente la synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme enceinte filtrante :

<table><caption>Tableau 39 : synthèse de la filière de valorisation des mâchefers comme enceinte filtrante</caption><tr><td>Traitement préconisé</td><td>Minimum (élimination des métaux, granulométrie entre 0 et 40 mm, humidité inférieure à 30%)</td></tr><tr><td>Pertinence technique</td><td>Bonne notamment pour le traitement des composés soufrés du biogaz</td></tr><tr><td>Pertinence économique</td><td>A étudier en fonction du coût de l'élimination des mâchefers saturés</td></tr><tr><td>Volumes considérés</td><td>Difficile à préciser à ce stade d'avancement</td></tr><tr><td>Maturité de la filière</td><td>En cours de développement</td></tr><tr><td>Leviers</td><td>Possibilité d'utiliser des mâchefers non valorisable à ce jour en technique routière</td></tr><tr><td>Freins</td><td>Elimination des mâchefers saturés</td></tr></table>
## 8 CONCLUSION

En France, la valorisation des mâchefers, jusqu'alors soumise à la Circulaire du 09 mai 1994, est désormais cadrée par l'Arrêté Ministériel du 18 novembre 2011 (applicable depuis le 1er juillet 2012) relatif au recyclage en technique routière des Mâchefers d'Incinération de Déchets Non Dangereux (MIDND).

Cette évolution n'a que très peu d'impact sur le flux valorisé (passage de 83% à 81%) selon le rapport d'enquête du CEREMA de juillet 2014 sur la gestion des MIDND.

Par contre selon les informations recueillies auprès des opérateurs, plus de difficultés sont rencontrées pour trouver les débouchés ; il semble notamment que les distances parcourues pour réaliser la valorisation en techniques routières aient tendance à augmenter.

Quand on examine les différents paramètres pouvant affecter la qualité des mâchefers (composition des déchets (liée à la zone géographique, à la saisonnalité, à la collecte sélective...), type de four et de mode d'extraction...), on peut constater une influence certaine mais au vu du nombre de paramètres variant en même temps (avec des effets très différents), il est difficile de quantifier cet impact d'autant plus que la composition des déchets est « bornée » de par leur définition et que les paramètres de conduite (préparation des entrants, injection d'air, temps de séjour, température...) permettent de lisser ces impacts.

Par contre lorsqu'on s'intéresse de manière plus précise à l'évolution de tel ou composant on peut faire apparaître des interactions plus précises. On notera notamment que les leviers concernant les teneurs en dioxines et en matière organique sont plutôt à rechercher au niveau de la conduite du four alors que les variabilités des teneurs en sulfates et en antimoine sont probablement plutôt liés à celle des déchets entrants.

La voie de valorisation autorisée actuellement en France est la technique routière.

Les traitements appliqués à la préparation de la grave de mâchefers pour cette voie de valorisation sont de plus en plus complets et structurés avec notamment une optimisation de la séparation des métaux ferreux et non ferreux qui joue également un rôle de soutien économique à la filière.

Ce soutien est nécessaire car la concurrence des granulats naturels (entre 6 et 10 €/t) et des autres matériaux recyclés (moins de 3 €/t) est de plus en plus importante.

L'étude a par ailleurs mis en évidence que l'implication forte dans la promotion de la filière par les collectivités locales avait un impact notable (ex : Savoie Déchet, Reims Métropole...). L'incitation des pouvoirs publics semble donc être un levier pertinent pour soutenir la valorisation en technique routière (préconisation de l'utilisation de la grave de mâchefers dans les cahiers des charges, intégration à l'échelle locale des mâchefers dans les réflexions actuelles d'économie circulaire...).
Outre les procédés classiques actuellement largement répandus en France et en Europe (maturation, criblage, séparation des métaux...), plusieurs autres types de traitement ont été identifiés :

- le refroidissement à l'air ;

- la vitrification ;

- la carbonatation accélérée ;

- le traitement humide.

Dans le contexte français, certains types de traitement (refroidissement à l'air et vitrification) paraissent difficiles à mettre en œuvre pour les installations existantes. En effet, la mise en place de ces traitements ne peut s'envisager que dans le cadre d'une réflexion globale de la gestion des déchets (le refroidissement à l'air nécessite une importante surface au sol et génère de la poussière ; la vitrification est un procédé énergivore pour lequel une réflexion spécifique doit être engagée....). Pour la carbonatation accélérée, l'intérêt se situe dans le raccourcissement du temps de maturation mais également dans la possibilité de captation d'une partie du CO₂ des fumées d'incinération (moins de 1% du CO₂) mais au stade actuel du développement des technologies, cet usage limite la valorisation des MIDND par la suite.

Pour le traitement humide, la problématique est quant à elle liée au traitement des eaux.

L'évolution des traitements des mâchefers peut par ailleurs être un moyen d'intéresser d'autres filières de valorisation. Les principales filières identifiées sont les suivantes :

- valorisation comme matière première en cimenterie ;

- valorisation comme constituant secondaire des ciments ;

- valorisation comme granulats pour bétons ;

- valorisation comme constituant secondaire des céramiques ;

- valorisation comme matériau filtrant notamment pour le biogaz des ISD.

L'incorporation des MIDND au cru de cimenterie doit être considérée sous deux angles : la valorisation dans les cimenteries actuellement en fonctionnement et la mise en œuvre d'un procédé spécifique conçu pour l'utilisation des MIDND. Dans le premier cas, les taux d'incorporation des MIDND sont limités et les contraintes de préparation et de contrôle des MIDND en amont semblent lourdes en regard des bénéfices. Dans le second cas, le procédé étant mis au point pour favoriser l'utilisation des MIDND, les taux d'incorporation attendus sont beaucoup plus importants et la production de ciment devient un atout financier. Ce type d'installation ne peut s'envisager que dans une réflexion globale de gestion des déchets incluant la technique d'incinération. On notera également que le refroidissement à l'air apparaît plus favorable pour ce type de valorisation.

Les travaux réalisés sur l'utilisation des MIDND comme constituant secondaire des ciments n'ont pas permis de déceler d'atouts particuliers des mâchefers pour ce type d'application, leur pouvoir pouzzolanique semble très faible. Par ailleurs, ce type de valorisation nécessite forcément un séchage et un broyage poussé, rendant la filière économiquement défavorable. Dans ce cas encore, un refroidissement à l'air apparaît plus approprié à la filière.

Le potentiel d'utilisation des MIDND comme granulats pour bétons est très lié à la qualité du traitement amont notamment en termes de tri des métaux. Des solutions industrielles commencent à voir le jour sur des applications de niche de type coulis de remblayage ou bloc de béton pour installations provisoires. Cette voie de valorisation ne semble envisageable qu'en considérant et maitrisant la filière dans son ensemble jusqu'au produit fini (béton, coulis, etc...). Les enjeux sont doubles : l'aspect économique (coûts de production, marché pour ce type de produits...) et la durabilité des matériaux ainsi générés.
L'utilisation des mâchefers comme constituant secondaire des céramiques, de par les faibles quantités potentiellement concernées (moins de 150 000 t/an de mâchefers) rendent cette filière économiquement peu pertinente même si les essais industriels réalisés sont techniquement intéressants.

L'utilisation des mâchefers matériau filtrant pour le biogaz produit par les ISD est techniquement pertinente de par la bonne capacité des mâchefers à adsorber les composés soufrés et une partie des mercaptans (éléments problématiques pour la valorisation du biogaz et pouvant potentiellement induire une gêne olfactive pour le voisinage). Comme matériau de couverture (couches filtrantes), la pertinence économique peut être très variable selon les régions et notamment en fonction de la proximité entre les différents sites concernés. Comme matériau d'enceintes filtrantes (mobiles ou fixes), la pertinence économique est surtout liée au coût d'évacuation finale des mâchefers saturés mais elle dépend également de la proximité entre les différents sites concernés.

L'évolution de la réglementation française, par la promulgation d'un Arrêté Ministériel, constitue un net progrès. Malgré cela, il apparaît que la filière de valorisation de la grave de mâchefers actuellement préconisée (utilisation en techniques routières) reste économiquement difficilement rentable (concurrence des autres matériaux, naturels ou recyclés ; éloignement entre les sites de production de la grave et les sites d'utilisation ; contraintes de suivi...).

Des discussions entre les principaux acteurs de la filière (administrations, producteurs, exploitants, utilisateurs) sont toujours en cours afin de tenter d'optimiser ce mode de valorisation en améliorant la communication (sur la qualité du matériau et ses propriétés techniques ; sur la pertinence de réutilisation de matériau produit localement dans le cadre de la politique actuelle d'économie circulaire ; sur la pertinence de la promotion du matériau dans les cahiers des charges...) et en proposant des élargissements du périmètre concerné par son utilisation.

En s'appuyant sur des expériences locales ainsi que sur les techniques utilisées par nos voisins européens, ce présent document recense également les principales pistes de valorisation qui pourraient être envisagées dans le futur ainsi que des modes de traitements différents.
## SOURCES BIBLIOGRAPHIQUES

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