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Décontamination des résidus de contrôle de la pollution de l'air d'incinérateur de déchets municpaux par lixiviation chimique et adsorption du Pb sur tourbe.

Hammy, Fatima (2005). Décontamination des résidus de contrôle de la pollution de l'air d'incinérateur de déchets municpaux par lixiviation chimique et adsorption du Pb sur tourbe. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 217 p.

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Résumé

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La gestion des déchets municipaux compte, aujourd'hui, parmi les plus grands problèmes environnementaux. Afin d'y remédier, de nombreuses options existent dont, notamment, l'incinération. Cette dernière peut être considérée comme étant une des alternatives incontournables de gestion de ces ordures. Cependant, cette technique génère deux types de cendres: les cendres de grilles (mâchefer) lesquelles sont relativement inertes et peu riches en métaux toxiques, ainsi que les résidus de contrôle de la pollution de l'air (RCPA), comprenant les chaux usées (CUS), les cendres d'électrofiltres (CEL) et les cendres de chaudières (CCH), lesquelles sont chargées en métaux toxiques (Pb, Cd, Hg, etc.) et, donc, considérées comme des «matières dangereuses ». La présente recherche visait d'une part, le développement d'un procédé de lixiviation en phase basique pour l'enlèvement des métaux des RCPA, et plus spécifiquement du Pb et, d'autre part, sa récupération ensuite par adsorption sur la mousse de tourbe (MT). Cette recherche a d'abord porté sur l'étude des caractéristiques physico-chimiques des RCP A, suivie de l'évaluation de deux procédés de décontamination des RCPA par lixiviation et adsorption combinées, ainsi que l'étude de diverses options de gestion de l'adsorbant. L'étude des RCPA a d'abord consisté en des analyses granulométriques et granulochimiques. L'étude granulométrique, par tamisage à sec, a montré que les CUS seraient majoritairement formées de particules dont la taille varie entre 45 et 125 µm. Toutefois, ces résultats n'étaient pas conformes à ceux obtenus lors des analyses granulométriques en milieu liquide par Microtrac qui eux, montraient que les CUS étaient principalement constituées de particules dont la taille était inférieure à 50 µm. Cette différence peut s'expliquer par la formation d'agglomérats dans les CUS rendant la séparation physique par tamisage à sec très difficile. D'autre part, des observations en microscopie électronique à balayage (MEB) ont montré peu de particules plombifères dans les CUS, celles présentes ayant des tailles inférieures à 10 µm, ce qui pourrait expliquer la dissolution rapide du Pb lors de l'application de lavages basiques en milieu aqueux des CUS. Une caractérisation détaillée des divers types de RCPA générés dans les incinérateurs de déchets domestiques a été effectuée dans la présente étude. L'analyse granulochimique a montré l'intérêt de séparer les particules du mélange de CEL et de CCH en deux fractions et ce, afin d'obtenir une fraction grossière (> 125 µm) relativement peu contaminée par le Pb et une fraction plus fine (125 µm) plus fortement polluée qui pourrait être traitée par voie chimique. L'étude microscopique et la diffraction aux rayons X (DRX) ont montré que l'antarcticite (CaCl26H2O) représentait la forme prédominante dans les CUS, alors que la calcite (CaCO3), la sylvite (KCl) et le quartz (SiO2) constituent des phases cristallines majeures dans les CEL et de CCH. Les principales formes de particules plombifères ont aussi été révélées par microscopie électronique à balayage et spectrométrie en énergie dispersive (MEB-SDE). Le Pb retrouvé dans les CUS était majoritairement associé à des oxydes dans une phase porteuse de chlorure ou phosphate de Ca. Le Pb présent dans les CEL et de CCH était principalement associé à des composés chimiques complexes de la famille des silicates ou des phosphates. Des oxydes et carbonates mixtes de Pb et Ca ont aussi souvent été identifiés. La présence de microparticules de Cu élémentaire sur lesquelles se condense du Pb métallique a également été constatée lors de l'observation du mélange de CEL et CCH. Les essais de décontamination des RCPA ont révélé qu'une seule étape de lixiviation en milieux aqueux et basique des divers types de RCPA était, dans plusieurs cas, suffisante pour extraire une bonne partie du Pb lixiviable et, ainsi, pour satisfaire au critère réglementaire basé sur le respect du test TCLP. Un procédé de lixiviation chimique et adsorption successive a été développé et plusieurs paramètres ont été testés, tels que la concentration de l'adsorbant, le temps de contact, la saturation de la MT, la régénération à l'acide et, finalement, l'incinération de l'adsorbant saturé en Pb. Diverses concentrations de MT ont été utilisées lors des tests d'adsorption, soient 5, 10, 15 et 20 g L-1. Les résultats obtenus démontraient que la cinétique d'adsorption et les rendements de récupération du Pb solubilisé par lixiviation (environ 80 à 120 mg Pb L L-1) augmentaient avec l'accroissement de la concentration de MT utilisée. Ainsi, pour les concentrations de 15 et 20 g L-1 un temps de contact de 15 min était requis pour l'adsorption de près de 100% de Pb. Inversement, la quantité de Pb adsorbé par unité de masse de MT, diminuait avec la hausse de la concentration de MT utilisée. Les teneurs en Pb fixées sur la MT pour les concentrations 5, 10, 15 et 20 g L-1 sont estimées respectivement à 23,4, 19,2, 12,8 et 10,3 g Pb kg-1 de MT. Des essais de régénération de l'adsorbant à l'acide chlorhydrique et à l'acide sulfurique ont été effectués afin de vérifier les possibilités de réutiliser l'adsorbant pour plusieurs cycles d'adsorption et élution des métaux toxiques. D'un point de vue pratique, cette option visait aussi à concentrer un maximum de Pb adsorbé sur la MT dans un volume restreint d'acide pour fin de récupération et de valorisation. Les résultats obtenus ont toutefois montré que les solutions acides étaient rapidement consommées et qu'une quantité d'acide très importante était requise pour l'opération de cette technique d'élution des métaux et de régénération de l'adsorbant. Des consommations d'acides de 285 kg d'HC1 (36,5%) et de 258 kg d'H2S04 (93%) par tonne métrique (t.m.) de chaux usées ont été évaluées suite aux essais. L'autre option de gestion de l'adsorbant étudiée consistait en l'incinération de la MT après sa saturation. Les résultats des essais effectués en incinérant directement la MT indiquaient que la masse était réduite après combustion de seulement 67%, ceci étant attribuable aux teneurs élevées de sels de Ca contenus dans les chaux usées. Par conséquent, un facteur moyen de concentration du Pb de 3,1 a été mesuré dans la MT incinérée par rapport aux teneurs de Pb dans la MT non-incinérée. Une consommation de 100 kg de MT était nécessaire par tonne de CUS et, par conséquent, un résidu métallique de 33 kg était ainsi généré par t.m. de CUS traitée. L'utilisation d'une étape de rinçage de la MT saturée en Pb, préalable à l'incinération, permettait d'accroître à 78% la réduction de la masse de la MT et haussait le facteur de concentration à une valeur moyenne de 4,3. Une production de 22 kg de résidu métallique par t.m. de CUS était donc obtenue dans ce cas. Un procédé de traitement par lessivage en milieu aqueux et alcalin a été développé afin d'extraire le Pb, lequel était le principal contaminant présent dans ces résidus. Ce traitement générait des effluents fortement alcalins (pH compris entre 11,3 et 12,5) et chargés en Pb. L'objectif de cette étude était d'évaluer le potentiel d'un procédé à contrecourant d'adsorption du Pb sur la MT afin de traiter les lixiviats issus de la décontamination des divers types de RCPA (CUS, CEL, CEL+CCH). Les résultats ont montré que le procédé à contre-courant permettait de diminuer par un facteur 4 et plus, la quantité de MT requise pour le traitement de ces effluents. Ainsi, une concentration de 4 g de MT par litre de lixiviat était suffisante pour abaisser la concentration initiale de Pb d'un lixiviat de CUS d'environ 150 mg L-1 à moins de 0,5 mg L-1. Les recherches ont aussi montré qu'il était possible de réduire d'au moins 50% la consommation d'eau de procédé, en réutilisant les effluents traités pour d'autres cycles de lixiviation et adsorption. La présente étude a aussi mis en évidence que l'échange ionique sur les groupements anioniques de la MT serait l'un des principaux mécanismes impliqués dans la fixation du Pb sur cet adsorbant naturel, lors du traitement de lixiviats très basiques (pH > 1l) de RCPA. De même, l'adsorption du Pb sur la MT à partir des lixiviats de CU était également convenablement décrit par un isotherme de Langmuir, ce qui n'a pu être démontrée dans les cas du traitement des lixiviats de CEL et de CCH. Finalement, considérant les faibles coûts pour l'acquisition de la MT et la gestion des adsorbants saturés, ainsi que la très bonne efficacité de récupération du Pb, il semble que le procédé à contre-courant présente un très bon potentiel d'utilisation à l'échelle réelle, suivi de la technique de lixiviation et adsorption successives avec incinération de l'adsorbant et ce, afin de concentrer le Pb pour une éventuelle valorisation dans l'industrie métallurgique.

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: RCPA; déchets municipaux; pollution de l'air; lixiviation; décontamination; incinérateur; résidus; cendres
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 22 juin 2012 15:24
Dernière modification: 20 nov. 2015 15:52
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/410

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