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MÉTHODE DE DÉCONTAMINATION DE RÉSIDUS
D'INCINÉRATION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait a une méthode de
décontamination. Plus spécifiquement, la présente invention a trait à une
méthode de décontamination de résidus d'incinérations et d'autres
déchets contenant des contaminants métalliques.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Dans les pays industrialisés, la production croissante
de déchets d'origine commerciale et résidentielle pose des problèmes de
gestion importants . Une grande proportion de ces déchets contiennent
des métaux lourds qui sont toxiques pour les terres et les cours d'eau.
Ainsi, les résidus provenant de la combustion des déchets municipaux ou
d'autre sources, les sols contaminés, les sables de nettoyage ou de
décapage, les sédiments, les résidus de contrôle de la dépollution de l'air
provenant de l'incinération de diverses matières telles les produits du
bois, les déchets dangereux, les déchets biomédicaux et la combustion
du charbon contiennent des métaux lourds et exigent donc une attention
particulière.
En particulier, les résidus d'incinération des déchets
urbains sont problématiques et méritent qu'on s'y attarde.
La combustion des déchets urbains dans les
incinérateurs produit une quantité importante de cendres représentant
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vingt (20) à trente-cinq (35) % du poids des déchets. Ces cendres sont
de deux types: les cendres de grilles et les cendres volantes.
Les cendres de grilles sont généralement inertes et
constituent rarement un danger pour l'environnement. Elles contiennent
généralement peu de métaux pouvant se dissoudre et se disperser dans
l'environnement (lixiviation). La lixiviation des métaux est augmentée par
la transformation qu'ils subissent durant leur combustion. II est
généralement admis qu'une grande partie de ces cendres peut être
reléguée dans des sites d'enfouissement traditionnels parce qu'elles sont
faiblement lixiviables.
Les cendres volantes proviennent des chaudières
d'incinérateurs et de l'épuration des gaz résultant du traitement des
déchets par les électro filtres et les précipitateurs à la chaux. Lors de la
combustion des déchets, une quantité appréciable de métaux se
volatilisent et précipitent en s'adsorbant sur les particules de cendres
volantes.
Ä l'inverse des cendres de grilles, les cendres volantes
contiennent donc une teneur en métaux qui excédant les normes
environnementales de plusieurs juridictions. Ces cendres peuvent ainsi
posséder des teneurs élevées en plomb, en cadmium, et en mercure, qui
peuvent varier selon l'incinérateur d'origine des cendres. Pour cette
raison, les législations de différentes juridictions qualifient aujourd'hui
ces
cendres de déchets dangereux.
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Malgré les risques environnementaux associés à la
teneur en métaux lixiviables des cendres volantes, celles-ci sont très
souvent reléguées dans des sites traditionnels d'enfouissement sanitaire
faute d'une solution alternative économiquement viable.
Différentes solutions ont été proposées pour tenter
d'éviter ces risques environnementaux mais aucune ne semble adaptée
aux besoins actuels.
On a entre autres proposé d'adapter certaines
techniques de gestion des cendres de charbon aux cendres volantes.
Ainsi, les méthodes de récupération suivantes ont été envisagées
mélange des cendres volantes avec des cendres de grilles pour servir de
matériaux de remplissage, de stabilisation de routes, comme ajout à du
ciment, comme micro nutriments pour les sols, adsorbants de substances
toxiques, fabrication de briques, etc.. Theis et Gardner ont démontré dans
Environmental assessment of ash disposai en 1990, que ces méthodes
ne sont pas appropriées pour le traitement des cendres volantes
d'incinérateurs de déchets municipaux. Ces dernières libèrent des
concentrations de métaux beaucoup plus importantes que les cendres
volantes de charbon.
La stabilisation-enfouissement traditionnelle a été
envisagée mais rejetée parce que trop coûteuse.
Certaines autres méthodes de stabilisation se sont
avérées inefficaces à long terme ou trop onéreuses. Ainsi les blocs de
ciment dans lesquels sont incorporées les cendres volantes uniquement
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se désagrégent en deux ans alors que lorsque les cendres combinées
(les cendres volantes soit 10 à 20% de la masse, et les cendres de
grilles) sont utilisées, le volume de cendres à manipuler étant augmenté,
les coûts de traitement deviennent trop élevés.
Plusieurs méthodes ont aussi été proposées
comprenant la récupération des éléments de valeur contenus dans les
cendres et leur revente pour obtenir une diminution de coût net de la
gestion des cendres.
En 1976, on a tenté de rentabiliser l'extraction du
phosphate et des métaux dans les cendres combinées d'incinération de
boues d'épuration par un procédé comprenant l'utilisation du H2S04
(60%) puis la récupération des métaux par électro plaquage. La
principale valeur qu'ils en retiraient était la valeur en phosphate qui est
très importante dans ces cendres, mais qui est beaucoup plus faible (5
à 20 fois moins) dans les cendres de déchets municipaux. Ainsi, cette
méthode n'est pas économiquement viable pour le traitement des
cendres de déchets municipaux
Certains ont proposé la récupération du fer et de
l'aluminium contenus dans les cendres volantes de combustion du
charbon pour utilisation comme aide floculant ou aide coagulant. Cette
récupération s'effectue à l'aide de NaOH (15%, 90°C) suivi de HCI (15
%,
90°C).
Cette méthode de décontamination ne semble pas
applicable aux cendres de déchets municipaux. Celles-ci contiennent en
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effet beaucoup moins de fer et d'aluminium que celles des cendres de
charbons ce qui rend l'extraction de ces métaux moins intéressante.
D'autre part, cette méthode n'est pas très efficace: des métaux toxiques
subsistent dans les produits récupérés (aides floculant) et dans les boues
5 d'épuration obtenues.
Certains ont proposé une méthode de récupération des
métaux qui implique le traitement des cendres volantes dans une solution
deHCIdepH3avecduNaCIIMàS%ST.
Cette méthode est coûteuse due à l'utilisation de l'acide
chlorhydrique. D'autre part, la technique d'électro plaquage prévue pour
récupérer les métaux semble être problématique: le plaquage sélectif du
plomb, du zinc, du cadmium, du nickel et du cuivre en présence d'une
quantité importante de fer est très laborieux.
Une nouvelle technique qui connaît une certaine
popularité est la vitrification. Cette technique possède le désavantage
d'augmenter le volume des cendres et traite généralement les cendres
combinées ce qui en fait une technique relativement dispendieuse. De
plus, l'épuration des gaz produits par cette technique se révèle ardue.
Un certain nombre de techniques de récupération
proposent le lavage des cendres dans une solution acide pour solubiliser les
métaux qu'elles contiennent.
Ainsi, dans son brevet américain no. 5,512,257 de 1996,
Frey propose un procédé impliquant l'utilisation de l'eau acide provenant
du «wet scrubber» (type d'incinérateur où l'épuration des gaz s'effectue
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par la mise en contact d'un liquide avec le jet de gaz; le liquide est
acidifié
par ce contact) pour extraire les métaux des cendres volantes.
L'efficacité d'extraction de métaux de ce procédé n'est pas cependant
pas démontré et le fait que les cendres volantes soient retournées à la
combustion laisse croire qu'elles ne sont pas dénuées de métaux lourds.
Dans le brevet américain no. 4524049 de 1987, on décrit
un procédé d'extraction dans lequel de l'acide est utilisé pour solubilser les
métaux des cendres. Ce procédé est adapté aux cendres contenant du
vanadium et du nickel et non pas aux cendres contenant du plomb et du
cadmium telles les cendres de déchets municipaux.
Les principales déficiences des méthodes de traitement
ou de disposition actuelles des résidus d'incinération ont trait
principalement aux coûts élevés qui y sont attachés. Ainsi, les produits
chimiques comme les réactifs acides et oxydants impliquées dans
certaines des techniques mentionnées sont très dispendieux. Ensuite,
le volume de matière auquel ils s'appliquent fait en sorte que les coûts
d'exploitation sont très élevés: ces procédés exigent souvent que la
totalité des résidus produits lors de la combustion des déchets, soit les
cendres de grilles et les cendres volantes soit traitée. Finalement,
certains procédés n'extraient pas de façon très efficace les métaux des
cendres.
OBJETS DE L'INVENTION
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Un objet de la présente invention est donc de présenter
une méthode de décontamination de résidus d'incinération ne présentant
pas les inconvénients de l'art antérieur.
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 représente un schéma d'incinérateur de
déchets municipaux;
La Figure 2 représente un schéma de la méthode de la
présente invention appliquée à des cendres de déchets municipaux.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Certains des modes préférés de réalisation de la
présente invention seront maintenant décrits à titre purement indicatif.
La Figure 1 illustre un schéma d'incinérateur municipal
ainsi que la provenance des différents types de cendres qu'un tel
incinérateur produit: des cendres de chaudières, des cendres d'électro
filtres et de la chaux usée. La méthode de la présente invention est
adaptée pour extraire les métaux d'un mélange de diverses proportions
de cendres de chaudière, de cendres d'électro filtres et de chaux usée ou
bien de chaque type de cendres séparément.
La méthode ainsi décrite peut s'appliquer à un mélange
à proportions variables de cendres de chaudières, de cendres électro
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filtres et de chaux usée ou bien à chaque type de cendres pris
séparément.
La Figure 2 illustre un mode préféré de la méthode de
décontamination de la présente invention. On y illustre schématiquement
deux grandes phases composées de lavages durant lesquels des réactifs
chimiques appropriés sont introduits pour permettre d'obtenir des
conditions basiques ou acides favorisant la solubilisation des métaux.
Après chaque lavage une décantation permet de séparer le surnageant
contenant les métaux des solides en traitement.
Les cendres sont d'abord acheminées à un premier
réacteur pour y subir un lavage basique. Le surnageant de chaque
lavage basique est envoyé à la précipitation des métaux. Les cendres
ayant subi les lavages basiques sont alors envoyées dans un second
réacteur acide où une séquence précise d'ajout d'acide et de produits
chimiques est faite avec des temps spécifiques de brassage et à une
teneur précise en solides totaux. Après chaque lavage, les solides sont
décantés et les liquides sont dirigés vers la phase de précipitation des
métaux. Les eaux des lavages acides et basiques sont ensuite
mélangées et la précipitation des métaux par ajustement du pH est alors
opérée.
L'effluent résultant de la décantation du floc métallique
est substantiellement dénué de résidus métallique. Le concentré de
résidu métallique est ensuite acheminé à l'étape d'extraction des métaux
de valeur pour leur récupération dans l'industrie. II en résulte un résidu
principalement constitué d'hématite pouvant être déposé dans un site
d'enfouissement. Les cendres traitées sont pour leur part conditionnées
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puis filtrées sur un filtre-presse ou sur un filtre sous-vide. Leur pH est
ajusté à la hausse afin d'être enfouies dans un site régulier
d'enfouissement sanitaire ou d'être potentiellement réutilisées dans du
ciment ou des briques.
Lorsque les résidus sont constitués de cendres volantes
de déchets municipaux, la présente méthode comprend les deux grandes
phases illustrées, soit la phase basique qui solubilise entre autres le
plomb, le zinc, le mercure, l'arsenic, le cuivre et le manganèse que les
cendres peuvent contenir et la phase acide qui peut solubiliser entre
autres le cadmium, le zinc, le cuivre, le manganèse, le mercure que les
cendres peuvent contenir.
A la phase basique, la quantité de solides totaux en
solution est ajustée avec de l'eau pour constituer 5 et 25 grammes par
litre d'eau (g/L ou %S~. La température est maintenue entre 10 et 50
°C.
La solution est maintenue dans ces conditions pendant jusqu'à 1 heure
en étant préférablement agitée vigoureusement. Le pH est maintenu au
dessus de 11.5 grâce à l'ajout d'une base forte.
A la phase acide, le nombre de lavages se situe entre
un (1) et cinq (5) lavages. Au premier lavage, le pH est préférablement
maintenu entre 2.5 et 4.5 grâce à un acide concentré tel de l'acide
sulfurique, de l'acide nitrique, de l'acide chlorhydrique ou tout autre acide
usé. La quantité de solides totaux en solution est ajustée avec de l'eau
pour atteindre entre 3 et 15 g/L. La température est maintenue entre 10
et 50 °C. Les cendres sont maintenues dans ces conditions pendant une
période pouvant durer de six (6) à vingt-quatre (24) heures
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préférablement sous agitation. La solution est alors décantée pendant
cinq (5) à cent vingt (120) minutes et le surnageant est récupéré.
Au second et troisième lavage, le pH est maintenue
5 entre 2 et 4.5 sur une période pouvant aller jusqu'à deux heures. Les
autres conditions sont les mêmes que pour le premier lavage.
Un mode alternatif de la méthode de décontamination
des cendres d'incinérateur municipal existe où l'on ajoute des oxydants
10 chimiques ou du peroxyde d'hydrogène à la phase acide.
Selon ce mode alternatif particulier, dans le premier
lavage, le pH est maintenu entre 2 et 4 grâce à un acide concentré. La
quantité de solides totaux en solution est ajustée avec de l'eau pour
atteindre entre 3 et 15 g/L. La température est maintenue entre 10 et 50
degrés Celsius. Les cendres sont maintenues dans ces conditions
pendant une période allant jusqu'à deux (2) heures préférablement sous
agitation. La solution est alors décantée pendant une période de dix (10)
à cent vingt (120) minutes et le surnageant est récupéré.
Au deuxième lavage acide, le pH est maintenu à un pH
entre 2,5 et 4,5 avec de l'acide sulfurique. De 0,10 et 0,20 gramme d'une
solution est ensuite ajoutée aux cendres pour atteindre une concentration
de 11 % d'oxydant par gramme de cendres lavées. La solution oxydante
peut être par exemple du FeCl3. Elle peut aussi être du peroxyde
d'hydrogène. Les cendres sont maintenues dans ces conditions pendant
une période pouvant aller jusqu'à deux (2) heures préférablement sous
agitation. Le pH est maintenu entre 3 et 4.5.
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Un troisième lavage peut s'ajouter dans lequel les
conditions restent identiques à celles du second lavage sauf pour la dose
de solution oxydante ajoutée. Ainsi si l'on utilise le FeCl3, la dose est de
0.02 à 0.08 gramme par gramme de cendres lavées.
Un quatrième et un cinquième lavage facultatifs suivent
où l'on maintient le pH à une valeur située entre 2 et 4,5 sans ajouter de
solution oxydante.
Après chacun des lavages acides, la solution est
décantée pendant cinq (5) à cent vingt (120) minutes et le surnageant est
récupéré.
La décantation de la solution après chacun des lavage
peut être remplacée toute autre technique ou équipement qui permette
l'extraction plus ou moins complète de la fraction liquide de la solution
contenant les résidus. Préférablement, des aides coagulants ou des
polymères appropriées peuvent être ajoutés à la solution de lavage pour
faciliter la séparation des solides et des liquides.
Lorsqu'un seul lavage acide est requis, le procédé est
un procédé en continu.
Après la dernière décantation du traitement, les cendres
traitées sont préférablement conditionnées à l'aide de polymères puis
filtrées sur filtre-presse, filtre à bande ou tout autre système de filtration
efficace. Leur pH peut être ajusté selon les conditions spécifiques reliées
à leur utilisation ultérieur ou leur enfouissement. Dans le cas où les
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cendres ayant subi un lavage acide sont destinées à être enfouies, leur
pH est haussé à une valeur entre 5 et 7 pour respecter les normes de
disposition dans les sites d'enfouissement sanitaire.
Après les traitements décrits plus haut, les cendres
lavées peuvent produire des lixiviats substantiellement dénués de métaux
lourds soit contenant moins de 5 mg de Pb/L et moins de 0.5mg de Cd/L.
Les liquides surnageants provenant des lavages acides
et des lavages basiques sont mélangés avant la précipitation des métaux.
Cette précipitation se fait par ajustement du pH à l'aide
d'un produit alcalin afin de précipiter la totalité des métaux en un seul
résidu ou bien en procédant à la précipitation sélective des métaux
d'intérêt tel le fer et le zinc. Cette précipitation peut se faire en continu
ou
en cuvée ou par décantation du résidu métallique.
Généralement, le liquide surnageant récupéré après la
précipitation des métaux peut être réutilisé pour d'autres lavages et est
substantiellement dénué de métaux lourds. Ce liquide contient en effet
un maximum de 2mg de Pb/L et de Cd/L. II contient préférablement 0,32
mg de Pb/L et 0,35 mg de Cd/L.
Le résidu métallique décanté peut être utilisé pour la
récupération des métaux de valeur ou conditionné et filtré avant son
recyclage ou son enfouissement. Un filtre-presse séchoir incluant une
phase de séchage est à cette fin utilisé pour la filtration et le séchage du
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résidu. Le séchage à l'air ou dans un séchoir de ce résidu est aussi
possible après filtration sur un appareil de filtration conventionnel.
Les bains basiques et acides peuvent avoir lieu dans un
ou plusieurs réacteurs pouvant fonctionner comme réacteurs séquentiels
(sequential batch reactor).
Dans d'autre incorporations possibles, la méthode peut
être employée alternativement pour la décontamination des résidus
totaux de dépollution des gaz provenant de la combustion de déchets de
nature municipale ou autre que municipale ayant déjà subi un autre type
de traitement (tant pour la décontamination organique qu'inorganique).
La méthode peut alternativement être employée sur une
fraction granulométrique particulière des résidus d'incinération.
La présente méthode peut utiliser comme alternative ou
en plus de la précipitation totale des métaux dans le liquide surnageant,
des procédés physico-chimiques de récupération sélective des métaux
ou d'absorption des métaux sur diverses matrices.
La présente méthode peut étre appliquée à l'enlèvement
des métaux de plusieurs types de matrices telles des cendres de grilles,
des sols contaminés, des sables de nettoyage/décapage (sand blast),
des sédiments, etc. comportant aussi une contamination organique. Elle
peut aussi servir à traiter des cendres et/ou des résidus de contrôle de la
pollution de l'air provenant de l'incinération de divers produits tels des
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produits du bois, des déchets dangereux, des déchets biomédicaux ou
des résidus de combustion du charbon.
Dans certaines applications de la présente méthode
selon la teneur et la nature des métaux contenus dans les résidus à
décontaminer, la présente méthode peut aussi se limiter uniquement à un
type de lavage soit à la seule phase basique ou à la seule phase acide.
Le nombre de lavages appliqués dépend aussi de la
teneur en contaminants métalliques des résidus.
A la fois les sites de traitement temporaires ou
permanents sont appropriés pour réaliser la présente méthode. Elle peut
servir à une décontamination in situ sur une plate-forme mobile installée
sur l'eau ou sur le sol.
Des étapes de traitement supplémentaires peuvent être
ajoutées à la chaîne complète de décontamination, après ou avant
l'étape de filtration des cendres après la phase acide. Ces traitements
visent la réutilisation des cendres et du résidu métallique tant en milieu
naturel, en construction (béton, routes), en enfouissement sanitaire
(recouvrement journalier), en terrassement, etc.
II va de soi que la présente invention fut décrite à titre
purement indicatif et qu'elle peut recevoir plusieurs autres aménagements
et variantes sans pour autant dépasser le cadre de la présente invention
tel que délimitée par les revendications qui suivent.
