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Optimisation de l'enlèvement et de la récupération des métaux à partir de cendres volantes d'incinérateurs de déchets municipaux.

Levasseur, Béatrice (2004). Optimisation de l'enlèvement et de la récupération des métaux à partir de cendres volantes d'incinérateurs de déchets municipaux. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 243 p.

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Résumé

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La problématique liée à la gestion et plus particulièrement à la décontamination des résidus du contrôle de la pollution de l'air (RCPA) provenant de l'incinération de déchets municipaux solides (DMS) représente l'un des nombreux axes de recherche orchestré par les chercheurs de l'INRSETE. Plus particulièrement, les chercheurs en assainissement en collaboration avec l'industrie Alex-Environnement (Groupe SITA) ainsi que la Ville de Québec, exploitant et régisseur de l'incinérateur de DMS de la Ville de Québec, ont réalisé de nombreux travaux dans le but de développer une nouvelle technologie économiquement concurrentielle pour la décontamination des RCPA. À l'issue de cette première collaboration un procédé a été élaboré et breveté, permettant de décontaminer un mélange de RCPA. Ce projet de recherche s'inscrit donc dans la continuité des travaux et connaissances établies antérieurement, avec cependant l'objectif de répondre plus spécifiquement à l'élaboration d'un procédé de décontamination d'un mélange de cendres de chaudières et de cendres d'électrofiltres (cendres volantes). L'élaboration de ce procédé portait sur un concept nouveau, permettant à la fois de décontaminer les cendres volantes tout en optimisant la réduction des rejets liquides et solides. L'application de ce concept a nécessité différentes phases de recherche dont l'optimisation des lixiviations en milieu basique et acide d'un mélange de cendres volantes, l'étude et la sélection de divers réactifs chimiques pour l'enlèvement des métaux contenus dans les lixiviats, l'élaboration d'un procédé opérant en circuit fermé pour la lixiviation chimique de cendres et l'enlèvement des métaux des lixiviats et, enfin, l'optimisation d'un procédé de décontamination et d'enlèvement incluant la recirculation du rejet liquide traité. La première partie de cette thèse a été consacrée à la détermination des paramètres optimaux pour les lixiviations basiques (LB) et acides (LA) des cendres volantes. La première série d'essais sur LB a été réalisée en faisant varier deux paramètres, soit la teneur en solides totaux (ST) (de 10% à 60% en base sèche) et le temps de contact (Tc) échelonné sur 30 min (durée du lavage). L'étude cinétique a révélé une solubilisation du Pb maximale avec un très court Tc de l'ordre de 2 min. La deuxième série d'essais a été réalisée en utilisant un Tc optimum de 2 min avec les mêmes teneurs en ST et ce, pour trois lavages consécutifs. Ces essais ont démontré de meilleurs rendements d'enlèvement (par kilogramme de cendres traitées) du Pb suivant l'ordre décroissant de la concentration en ST. De plus, une série de trois lavages est requise pour décontaminer en Pb, en deçà des nonnes associées au test TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure). Cependant, une série de deux lavages a été suggérée et permettrait de décontaminer tout en réduisant le nombre des opérations ainsi que le coût affilié à cette étape ci. En tenant compte de l'aspect économique et des rendements d'enlèvement, la teneur en ST retenue correspond au ratio 30% (p/v). Une fois les paramètres optimums établis, la reproductibilité de la lixiviation basique a été vérifiée à l'aide d'autres échantillons de cendres. L'optimisation des paramètres correspondant à la LA a été réalisée en tenant compte du procédé breveté. L'acidification a été réalisée avec une solution de H2S04 et une eau de lavage d'environ 45 à 50°C (au début des essais) comme il l'est stipulé dans le brevet, par contre des modifications importantes sur le nombre de lavages, la teneur en ST, le Tc, la température de l'eau de lavage et le pH d'acidification ont été réalisées en vue de diminuer aussi bien le coût d'opération que la consommation en produits chimiques. La première série d'essais a été réalisée en couplant trois paramètres fixes, le pH d'acidification (pH = 2.5), la durée du Tc, ainsi que le nombre de lavages (2) avec trois teneurs différentes de ST (5.0, 7.5 et 10%). Cette première étude cinétique indique une solubilisation maximale du Cd et du Pb avec un Tc de 30 min. Une deuxième étude cinétique a été réalisée avec des Tc inférieurs à 30 min et ce pour les deux lavages. Les cendres traitées issues de ces essais ont été stabilisées par ajout de 0.95% (base sèche) de H3P04, lesquelles ont été ensuite neutralisées par deux ajouts distincts de Ca(OH)2. Le test TCLP a été appliqué à l'ensemble de ces cendres afin de valider ces premières modifications. Le respect des normes affiliées au TCLP ainsi que d'excellents rendements d'enlèvement du Cd et du Pb ont conduit à optimiser davantage le procédé en remplaçant l'eau chaude des LA par de l'eau froide, permettant de diminuer le coût du procédé. Une troisième série d'essais a été réalisée avec les trois mêmes teneurs en ST (5.0, 7.5 et 10%) et ce pour deux LA (H2S04) à l'eau froide du robinet durant 30 min. Les cendres, traitées de façon similaire aux essais précédents ont été soumises au test TCLP révélant une fois de plus le respect des normes associées à ce test. À ce stade ci de l'optimisation, certains paramètres ont pu être fixés, comme la teneur en ST ainsi que le dosage de Ca(OH)2 à ajouter aux cendres traitées. Ainsi, le procédé optimisé comportait deux LB à l'eau froide durant 2 min avec une teneur en ST de 30% (p/v) et deux LA (à pH = 2.5, H2S04) à l'eau froide durant 30 min, avec une teneur en ST de 10% (p/v). Une dernière amélioration a été apportée en vue de diminuer la consommation en H2S04 et par le fait même, apporter une réduction du coût d'opération. Le pH de lixiviation acide a donc été augmenté à pH = 3.0 tout en continuant à respecter les normes associées au test TCLP. À la fin de cette première partie de la recherche, un procédé optimisé permettant d'enlever 85% du Cd et 25% du Pb a été élaboré tout en réduisant de 57% les coûts en produits chimiques et en réduisant la consommation en eau de l'ordre de 83%. Ce procédé optimisé a été validé par l'application du test TCLP sur les cendres traitées une fois la stabilisation et la neutralisation effectuée. Lors de la deuxième partie de cette thèse, l'emphase a porté sur le traitement des lixiviats générés durant la décontamination des cendres. Le traitement par précipitation chimique représentait la technologie qui semblait s'adapter le mieux pour l'enlèvement des métaux d'un tel rejet. Les différentes options explorées comprenaient: la précipitation sélective (pH = 5.0) et totale (pH = 8.5) à l'aide de deux bases différentes (Na(OH) et Ca(OH)2), l'ajout de réactifs chimiques (H3P04, Na2S, et FeCl3) testés sur une gamme de pH variant de pH = 6.0 à pH = 9.0. Pour réaliser ces différents tests, deux essais de décontamination (LB + LA) ont été réalisés à l'échelle du pilote de laboratoire afin d'obtenir des mélanges de lixiviats basiques et acides similaires du point de vue de leur composition. Les essais réalisés à pH = 8.5, par addition d'une base dans le mélange des LB et LA ont permis de mettre en évidence une précipitation efficace de l'ensemble des métaux étudiés, avec des rendements d'enlèvement ~ 90% pour les essais utilisant Ca(OH)2 et ≥ 83% pour les essais utilisant NaOH. La précipitation sélective à pH = 5.0 a donné des résultats intéressants pour certains métaux, tels que le Cr (≥97%), Al et Pb (entre 75 et 87%). Enfin, les essais réalisés à partir d'un ajout stoechiométrique de Na2S ont permis de mettre en évidence la précipitation du Cd (≥99%) et du Zn (≥71 %) sous forme de sulfures (CdS et ZnS). Des simulations réalisées avec le logiciel MINEQL+ ont permis de corroborer ces résultats et de déterminer la présence de CdS (99.9%), PbS (98.4%) et ZnS (100%). Les essais utilisant l'ajout à une base de réactifs chimiques comme H3P04 et FeCl3 n'ont pas donné les résultats escomptés et ne semblent pas représenter un grand potentiel quant à la précipitation de ce type de rejet. Du point de vue économique, l'option la plus intéressante semble être la neutralisation des lixiviats à pH = 7.0 avec Ca(OH)2 combinée à la recirculation des lixiviats traités au niveau des étapes de décontamination des cendres. Les coûts de la précipitation à pH = 7.0 ont été estimés à 22.7 $ CAN tct-1 avec Ca(OH)2, contre 26.7 $ CAN tct-1 avec NaOH. Cependant du point de vue de la validation du procédé à l'aide du test TCLP, il a été suggéré d'opérer deux précipitations; la première à pH = 5.0 permettant d'effectuer un premier dégrossissage, mais non suffisante pour la recirculation et la deuxième à pH = 7.0 permettant de recirculer les lixiviats traités durant la LA des cendres. Enfin, la troisième partie de cette thèse correspond à l'étude de faisabilité d'un procédé combinant la décontamination de cendres volantes avec le traitement des lixiviats générés, tout en recirculant le rejet liquide traité durant la LA. Le premier essai a été réalisé sur dix boucles de recirculation permettant de traiter 2 kg de cendres. La décontamination a été réalisée selon le procédé optimisé de lixiviation avec, toutefois, l'ajout d'une LB et le traitement des lixiviats par précipitation successives et ce, à deux pH distincts (pH = 5.0 pour la première précipitation et pH = 7.0 pour la deuxième). Ce concept d'opération en circuit fermé a été validé puisque les performances quant à l'enlèvement du Cd et du Pb contenu dans les cendres restent très proches des résultats obtenus pour la lixiviation optimisée avec 72% d'enlèvement en Cd et 30% d'enlèvement pour le Pb. La plus forte solubilisation du Pb serait due à la présence des ions chlorures présents dans le liquide de recirculation. Le procédé a été validé selon l'application de trois tests de lixiviation différents sur les cendres traitées. Le test TCLP, permettant de caractériser les cendres comme matière dangereuse ou non dangereuse, le test SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure) qui permet de simuler le lessivage des cendres soumises à des pluies acides et, enfin le test à l'eau neutre qui lui simule le lessivage des cendres au simple contact d'une eau neutre. Les cendres traitées ont été stabilisées et neutralisées avant de subir les trois tests sélectionnés. Pour les dix boucles de recirculation, les cendres traitées respectaient les normes du TCLP, alors que les concentrations en métaux solubilisés lors des tests SPLP et à l'eau neutre étaient quasiment nulles. Les différentes étapes d'enlèvement des métaux par précipitation ont donné des rendements d'enlèvement de l'ordre de 21 % pour le Cd, 99% pour le Pb, 100% pour Al et 63% pour le Zn. De plus, la recirculation a permis d'enrichir le résidu métallique issu de la précipitation à pH = 7.0 jusqu'à 23% de Zn. Les taux de production obtenus pour les deux résidus sont respectivement de 4.6% RM5 (résidu de la précipitation à pH = 5.0) et 1.8% pour le résidu RM7 (précipitation à pH= 7.0). Néanmoins, ces deux résidus ont été caractérisés comme des matières dangereuses du point de vue du TCLP. Le concept d'opérer en circuit fermé a permis de réduire de 60% la consommation en eau. Malgré les différents avantages obtenus lors de la réalisation de ce procédé, il a été suggéré d'optimiser davantage la phase du traitement des lixiviats et ce, afin de réduire la production des résidus métalliques dangereux et ainsi améliorer au final, le coût du procédé. Finalement, un deuxième essai a été réalisé sur cinq boucles de recirculation permettant de traiter 1 kg de cendres. L'étape de décontamination n'a pas été modifiée, seul le traitement des cendres a été ajusté en supprimant la stabilisation par H3P04, ne gardant qu'une simple étape de neutralisation à la chaux (Ca(OH)2). La précipitation à pH = 5.0 a été remplacée par une étape correspondant à une étape de nucléation, suivie de la précipitation à pH = 7.0. Des essais de stabilisation et de neutralisation ont été réalisés sur les deux résidus afin d'en diminuer le caractère dangereux. La recirculation du rejet traité comme eau de lavage durant les LA n'interfère pas de manière significative avec la décontamination des cendres puisque les rendements d'enlèvement obtenus pour le Cd et pour le Pb ont été évalués à 70 ± 3% de Cd et 18 ± 4% de Pb. Une légère augmentation de la solubilisation du Pb attribuée à la présence de chlorures dans le liquide recyclé a été observée. L'augmentation du Cd dans le liquide recyclé ne semble pas avoir interféré sur la solubilisation du Cd provenant des cendres. Ce concept de procédé opérant en circuit fermé a été validé à la fois avec le test TCLP, donnant pour le Cd des concentrations moyennes de [Cd] = 0.11 mg/L et proche de zéro pour le Pb. La validation a aussi été vérifiée avec le test SPLP et le test à l'eau neutre qui ont donné des valeurs moyennes près de zéro. L'optimisation du traitement des lixiviats a contribué à l'amélioration de plusieurs points. Lors de cette étape, deux résidus ont été générés dans des proportions égales à 1.3% pour RM1 (résidu issu de la nucléation) et 2.9% pour RM7 (précipitation à pH = 7.0). Les essais réalisés avec H3P04 sur RMl et RM7 ont permis de stabiliser RM1 en dessous des normes du test TCLP, ramenant la quantité de résidus dangereux produite au RM7 uniquement. Des réductions significatives de la consommation en eau de procédé (91 %) et en produits chimiques (12%) ont été réalisées par rapport au procédé breveté, permettant de réduire les coûts d'opération du procédé de 36%.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: décontamination; cendres volantes; métaux toxiques; cadmium; plomb; lixiviation basique; lixiviation acide, enlèvement; TCLP; RCPA; nucléation; précipitation; incinérateur; déchets municipaux
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 14 févr. 2014 16:06
Dernière modification: 24 nov. 2015 16:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2061

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