Les traitements des déchets organiquesspesge.free.fr/la_spe_sge/projets/exposes/exposes... · Le four : • Deuxième enceinte: – Post-combustion des gaz produits et imbrûlés

Les déchets organiques

Joris Moutte – SGE 05/06 – janvier 2006

Introduction

• 627 millions de tonnes (Mt) en 2002.

• Chiffre qui augmente de 2% chaque année.

• Problématique fondamentale de la préservation de l’environnement.

Objectifs du cours

• Connaître les techniques de traitement des déchets organiques (DO).

• Mettre en perspective leurs avantages et inconvénients respectifs.

• Comprendre la politique de gestion des déchets et son évolution.

Plan

1. Le gisement des déchets organiques.2. Les techniques de traitements.3. Analyse comparative des traitements. 4. Evolution de la politique de gestion.

Les différentes sources de DO sont:

•Les déchets municipaux

•Les déchets industriels

•Les déchets agricoles

1. Le gisement des déchets organiques

Déchets ménagers

Ordures ménagères

Déchets verts

Encombrants

Verre, plastique, métaux, autres

Déchets des collectivités

Déchets de voirie et de marchés

Déchets verts

Déchets assimilés

Boues de STEP

Déchets municipaux



Déchets ménagers

Ordures ménagères

Déchets verts

Encombrants

Verre, plastique, métaux, autres


Déchets de voirie et de marchés

Déchets verts

Déchets assimilés

Boues de STEP

Déchets municipaux

Déchets Industriels Banals (DIB)

Déchets non-dangereux pouvant être éliminés avec

les ordures ménagères.

Ex: bois, emballages, papier, carton, matières organiques

Déchets Industriels Spéciaux (DIS)

Déchets présentant une toxicité.

Déchets industriels


Déchets Industriels Banals (DIB)

Déchets non-dangereux pouvant être éliminés avec

les ordures ménagères.

Ex: bois, emballages, papier, carton, matières

organiques

Déchets Industriels Spéciaux (DIS)

Déchets présentant une toxicité.

Déchets industriels


• Les déchets agricoles comprennent:– Emballages vides de produits phytosanitaires– Produits phytosanitaires non utilisés (PPNU)– Films agricoles usagés (FAU)– Déchets d’élevage– Déchets des cultures– Déchets de l’exploitation forestière


• Les déchets agricoles comprennent:– Emballages vides de produits phytosanitaires– Produits phytosanitaires non utilisés (PPNU)– Films agricoles usagés (FAU)– Déchets d’élevage– Déchets des cultures– Déchets de l’exploitation forestière


375

43

18,5

20

456,55545275431

4,5497

13Masse (en Mt)

Déchets assimilés

CulturesForêts

Total

ÉlevagesDéchets agricoles

DIBDéchets industrielsDéchets verts

Voiries et marchésBoues de STEP


Déchets vertsOrdures ménagères

Déchets ménagers

Nature

Données sources ADEME, 2002


•Grande hétérogénéité qualitative des flux de déchets organiques.


•Variabilité saisonnière des quantités produites = impact sur le dimensionnement des installations.

Plan

1. Le gisement des déchets organiques.2. Les techniques de traitements.

1. La mise en décharge 1. Généralités2. Schéma d’un centre d’enfouissement

technique3. Les contrôles des rejets

2. Les traitements thermiques3. Les traitements biologiques

3. Analyse comparative des traitements 4. Evolution de la politique de gestion.

• Trois classes de CET:– Pour les déchets dangereux (ou DIS) = classe 1– Pour les déchets non-dangereux = classe 2– Pour les déchets inertes = classe 3

• DO sont stockés en CET de classe 2.

2.1.1. Généralités

• Centres d’Enfouisssement Technique (CET) = encadrement réglementaire fort afin de limiter les nuisances.

Plan


1. La mise en décharge 1. Généralités2. Schéma d’un centre

d’enfouissement technique3. Les contrôles des rejets



Géomembrane

Couverture imperméable

Captage du biogaz

Déchets Lixiviats

2.1.3. Schéma d’un centre d’enfouissement technique

Plan


1. La mise en décharge 1. Généralités2. Schéma d’un centre d’enfouissement

technique3. Les contrôles des rejets



• Surveillance pendant et après l’exploitation:

– Contrôle du drainage des lixiviats et de l’émission de biogaz.

2.1.5. Les contrôles des rejets

– Contrôle des eaux souterraines (piézomètres).

– Contrôle du profil topographique (tassement).

• Biogaz: – Production grâce à la digestion anaérobie de la matière

organique.

–Emis après un délai de latence et se poursuit après la fermeture du site.

–Doit être capté, contrôlé et valorisé/détruit après traitement d’épuration.


• Biogaz:

– Effets sur la végétation : conditions anoxiques au niveau de la rhizosphère.

– Effets sur les bâtiments : problèmes de tassement, d’explosion.

– Effets sur les riverains : production d’odeurs (H2S, NH3).

– Effets sur le climat : production d’une grande quantité de méthane (5 à 10 % du méthane contenu dans l’atmosphère).


• Lixiviats:

– Résultat de la percolation des eaux de pluie, de l’égouttage des déchets.

– On les contrôle par le suivi du bilan hydrique.

– Ils peuvent être rejetés directement dans le milieu naturel s’ils respectent certaines conditions ou bien être traités dans une STEP.


Plan


1. La mise en décharge 2. Les traitements thermiques :

1. L’incinération.2. La co-incinération.3. La pyrolyse.4. La gazéification.

3. Les traitements biologiques3. Analyse comparative des traitements 4. Evolution de la politique de gestion.

2.2.1. L’incinération

• Principe:

– Réaction de combustion à l’air des déchets visant une oxydation de la matière organique.

+ 02 CO2 + H2O + résidusMatièreOrganique

La réaction :

1. Évaporation de l’eau contenue dans les déchets.

2. Distillation des matières organiques volatiles à 200-300°C. Il y a émission de gaz combustibles qui s’enflamment spontanément en atmosphère oxydante.

3. Avec cet apport de chaleur la réaction s’auto-entretient.


Quai de chargement

Fosse de stockage

Trémie d’alimentation

Four

Chaudière Dépoussiéreur et tour de

lavage

Dé-NOX

Cheminée

Mâchefers

Source: http://www.incineration.org



Caractérisation des déchets entrants :

– Humidité = elle doit être éliminée.

– Taux de matières inertes = quantité de résidus solides en sortie.– Pouvoir calorifique inférieur (noté PCI): représente la quantité de chaleur utilisable libérée par la réaction d’oxydation. L’eau formée étant vaporisée et non recondensée, on ne tient pas compte de cette fraction d’énergie. S’exprime en kJ/kg ou t.

– Très grande hétérogénéité.

Opérations préliminaires :

– Élimination d’éléments indésirables tels que les métaux.

– Ajustement granulométrique : certains procédés sont influencés par la granulométrie de la matière entrante.

– Homogénéisation: assurer un rendement optimal et constant à la combustion en ajustant le PCI.


Le four :

• Première enceinte: – Séchage– Pyrolyse des déchets– Combustion du carbone fixe résiduel

• Injection de l’air primaire:– Air préchauffé et en excès.– Détermine la température de traitement (au plus 1100°C pendant 45 min à 1 h).


Le four :

• Deuxième enceinte: – Post-combustion des gaz produits et imbrûlés dans la

première enceinte à l’aide d’une arrivée secondaire d’air réchauffé.

– Température d’au moins 850°C pendant 2s minimum et à 6 % d’oxygène.


Chaudière :

• La chaleur est récupérée pour produire de la vapeur ou de la vapeur surchauffée à partir de laquelle on alimentera un réseau de chauffage et/ou une turbine à vapeur (électricité).

• Elle n’est pas obligatoirement présente mais il y en a de plus en plus.


Caractérisation des résidus gazeux et particulaires :

– HCl, HF, SOX, NOX, composés organiques volatils (COV).

– Particules en suspension : • Cendres volantes + imbrûlés.• Peuvent vitrifier si la température est trop importante.

– Métaux lourds : ils se volatilisent à haute température et forment des halogénures. Au cours du refroidissement, ils se fixent aux poussières.


Caractérisation des résidus gazeux et particulaires :

• Les dioxines

– Produites lors de la combustion de composés organiques en présence de matières chlorées (sel de cuisine).

– Effets : cancérigènes, cutanés, hépatiques.

– Seuil réglementaire = 0,1ng/m3.


Traitements des fumées :

• Refroidissement.• Dépoussiérage (filtre à manches, dépoussiéreurs

électrostatiques).• Lavage chimique (gaz acides, NOX).


Traitements des fumées :

• Les technologies utilisées permettent actuellement de répondre aux normes de rejets.

98,0 % pour les poussières

99,0 % pour l'acide chlorhydrique (HCl)

95,0 % pour les acides fluorhydrique (HF)

83,0 % pour l'anhydride sulfureux (SO2)

99,5 % pour les métaux lourds non volatiles

96,5 % pour les métaux lourds volatiles

99,0 % pour la dioxine

Abattement de la pollution atmosphérique imposé par la norme, Recyclage et valorisation des déchets ménagers, G. Miquel, OPECST, 1999


Caractérisation des résidus solides : les résidus d’épuration des fumées.

• Cendres volantes et non- volantes, suies, gâteau de filtration des eaux de lavage.• Présence de métaux lourds.• Ils sont habituellement mis CET.• Nouveau débouché : après une vitrification à 1300-1700 °C on peut l’utiliser en remblai, soubassement, ballast, …


Caractérisation des résidus solides : les mâchefers

• 25-30% de la masse de déchets entrante = matière minérale.• Présence de métaux lourds.


Caractérisation des résidus solides : les mâchefers

• Ils peuvent être :– Valorisables en soubassements routiers, … avec certaines

prescriptions techniques (arrêté du 25/01/91). Ex : utilisation de liant pour assurer une résistance mécanique suffisante.


– Maturables : on peut les traiter pour ensuite les valoriser.Traitement = disposés à l’air libre pour favoriser la carbonatation et donc diminuer la disponibilité des métaux lourds.

– Stockables : déchets ultimes. Le risque de lixiviation est trop important.

Plan





Principe:

Effectuer la combustion d’un déchet au sein d’une installation non-dédiée au traitement des déchets (cimenteries, centrales thermiques).

Utilisé pour la première fois au moment de la crise pétrolière des années 70.

2.2.2. La co-incinération

Conséquences:

•Fixe les polluants dans le clinker.•Température = 1800-2000°C (destruction des dioxines).•Limite l’utilisation de fuel ou autre combustible traditionnel.•Rejets de NOX plus forts

2.2.2. La co-incinération

Plan





Principe:

•Réaction thermochimique ayant lieu en absence ou défaut d’air.•L’atmosphère est donc réductrice.•Chauffage de la matière:

– Séchage.– Distillation des matières volatiles.– Pas de combustion.

•Schéma réactionnel:

gaz incondensables CO,CO2, H2, CH4, …

Déchet gaz condensables Goudrons + eaucoke C fixe + Matières inertes

2.2.3. La pyrolyse

Principe:






Par craquage

2.2.3. La pyrolyse

Principe:






2.2.3. La pyrolyse

Facteurs de contrôle de cette réaction:

• La température.• La vitesse de chauffe.

Traité de l’environnement, Techniques de l’ingénieur.

2.2.3. La pyrolyse

Valorisation des sous-produits:

•Coke : après élimination du chlore par lavage à l’eau, il peut être utilisé comme combustible (mauvaise qualité) ou bien être gazéifié (cf 2.2.4).

•Gaz : il est un bon combustible. Après épuration par craquage (élimination des parties condensables), il peut être utilisé dans des turbines à gaz.

•Métaux contenus dans la masse de déchets : ils n’ont pas été oxydé durant le traitement et ils peuvent donc être réutilisés.

•Mélange eau –huiles pollués par du soufre, du chlore et du mercure : – utilisation en raffinerie après dilution dans du pétrole brut– Obtention de CO et H2 par craquage.– Source potentielle de pollution organique.

2.2.3. La pyrolyse

Les autres rejets:

–fumées = diminution de 50% par rapport à l’incinération.Pas de rejets de dioxines car le chlore est fixé au coke.

2.2.3. La pyrolyse

Plan





Principe:

La gazéification est une réaction thermochimique de dégradation de composés organiques en absence ou défaut d’air et en présence de vapeur et/ou CO2.

2.2.4. La gazéification

Source : Traité de l’environnement, Techniques de l’ingénieur.

Apport d’énergie interne par la combustion d’une partie de la charge.

Pyrolyse.

Gazéification.


Hautes températures = 850-900°C

Basses pression = 1 b

C + H2O CO + H2

C + CO2 2CO

Basses températures = 700°C

Hautes pressions = 10-20 b

C + 2H2 CH4

Paramètres de la réaction :•Température : régulation de l’apport de chaleur.

•Pression : enceinte résistante à de fortes pressions.


Produits de la réaction :•Majoritairement un mélange gazeux avec une composition variable en fonction des conditions opératoires.

–Valorisation énergétique en turbines avec de bons rendements :

Couple « enceinte/Turbine » (« enceinte/chaudière/turbine » pour l’incinération).

•Il y a des résidus solides comprenant les matières minérales du déchet entrant. Il contiennent une bonne partie de la pollution. Ils sont généralement vitrifiés pour former une matrice non-lixiviable.


Plan


1. La mise en décharge 2. Les traitements thermiques3. Les traitements biologiques

1. Introduction.2. Le compostage.3. La méthanisation.

3. Analyse comparative des traitements 4. Evolution de la politique de gestion

2.3.1. Introduction

Notion de métabolisme énergétique:Oxydoréduction = 1 donneur + 1 receveur.

Il en existe deux grands types en fonction de l’accepteur:

Accepteur est l’O2:

Respiration (aérobie)

Compostage

Accepteur est un autre composé:

Fermentation (anaérobie)

Méthanisation

Plan





Objectifs:•Réduire la masse de DO.

•Stabiliser le déchet = réduction des pollutions et nuisances.

•Valorisation de la matière organique en amendement organique des sols.

2.3.2. Le compostage

Procédé:•Deux étapes :

•La «fermentation chaude »

•La maturation

•Pré et post-traitements : broyage, mélange, tris, …


Procédé: La « fermentation chaude »•Réaction aérobie de dégradation.

•De quelques jours à un mois.

•Elévation de la température (jusqu’à 80°C).

•Intervention de différentes bactéries en fonction de la température.


Procédé: La maturation•Réaction aérobie de transformation par des champignons.

•Obtention d’une matière organique proche de l’humus (propriété d’amendement).

•De 1à 3 mois.

•Température de l’ordre de 20 à 30 °C.


Les paramètres:• Caractéristiques des déchets entrants.

–Biodégradabilité: avec la teneur en sucres libres et hémicelluloses.

avec la teneur en cellulose et lignine.

–Granulométrie:

– Le pH optimal : aux environs de la neutralité.

–Le rapport C/N/P : de l’ordre de 100/4 (ou 5)/1.


Les paramètres de conduite du procédé:

Teneur en oxygène

Teneur en eau Température

Interdépendance


Source : Traité de l’environnement, Techniques de l’ingénieur.


•La teneur en O2 :

– paramètre indispensable au maintien de la réaction de dégradation.

– elle doit être au moins de 5 % dans les lacunes entre les particules.

– maîtriser la granulométrie des déchets.

– mettre en œuvre une aération (passive, par retournement ou forcée).


•La température :

– Elle doit être suffisamment importante :

1.Influence sur la vitesse de biodégradation.

2.Hygiénisation de la matière : si 60°C pendant au moins 1 journée.

3.Ne pas dépasser 80°C (évaporation trop forte).

– Réguler les pertes en couvrant avec du compost mûr, en minimisant le rapport surface/volume du tas.


•La teneur en eau :

– minimum 50 % pour la survie des organismes.

– Si > à 80%, l’aération se fait moins bien. Il faut ajouter un agent structurant qui augmentera la porosité (sciure, copeaux, déchets verts).


Les traitements biologiques, Cercle National du Recyclage, 2000

Procédé du compostage en andains


Eisenia fetida

www.sarep.ucdavis.edu


Le lombricompostage

•Le produit fini : le compost.

– teneur en matières humiques importante : fertilité organique

1. Amélioration de la Capacité de rétention en eau (CRE).

2. Favorise la formation de complexes argilo-humiques (CAH) Stockage des nutriments du sol.

3. Limite l’érosion.

– Ne joue pas un rôle d’engrais.

www.compost.tamu.edu


•Le produit fini : le compost.

– risques liés à l’utilisation en épandage :

1. Faible risque à court terme.

2. ETM = notion de biodisponibilité.

3. Acquérir plus de connaissances (pathogènes).

Risque si tri est peu efficace :

ETM provenant des piles, …

mauvaise perception du produit par l’utilisateur (corps étrangers, …).

Uniquement pour les ordures

ménagères.


•Pollutions et nuisances :

– émission d’odeurs

–émission de composés organiques volatiles (COV).

De nombreuses installations de compostage possèdent un système de traitement de dépollution de l’air afin de minimiser

ces nuisances.


Plan





• Objectifs :Stabilisation des DO.

Valorisation énergétique par récupération de méthane.

• Procédé :Digestion anaérobie (2-6 semaines).

Stabilisation aérobie (1-3 mois).

2.3.3. La méthanisation

• La digestion anaérobie :Intervention séquentielle de quatre types de bactéries.

Matière organique

Monomères

Acides gras volatils (AGV)

CO2 H2 Acétate

CH4 + H2O CO2

Hydrolyse

Acétogenèse

Acidogenèse

Méthanogenèse


• La digestion anaérobie :

Matière organique

Monomères


CO2 H2 Acétate

CH4 + H2O CO2

Hydrolyse

Acétogenèse

Acidogenèse

Méthanogenèse


• Hydrolyse et acidogenèse:Bactéries anaérobies facultatives.

Développement rapide.

Tolérance à de pH acides (jusqu’à 5).



Matière organique

Monomères


CO2 H2 Acétate

CH4 + H2O CO2

Hydrolyse

Acétogenèse

Acidogenèse

Méthanogenèse



Matière organique

Monomères


CO2 H2 Acétate

CH4 + H2O CO2

Hydrolyse

Acétogenèse

Acidogenèse

Méthanogenèse


• Acétogenèse et méthanogenèse :Bactéries anaérobies strictes.

Ne peut avoir lieu qu’en l’absence d’AGV.

Elles ne se nourrissent qu’à partir de molécules simples.

Leur développement est lent.

Inhibées si le pH est inférieur à 6.


• Les paramètres :La température :

Il faut chauffer le digesteur à une température constante. On peut consommer une partie du biogaz.

Digestion mésophile (25-40°C) = rendement en biogaz faible.

Autoconsommation faible.

Conduite plus facile.

Digestion thermophile (45-55°C) = vitesses de réactions plus importantes et donc augmentation du rendement en biogaz.

Autoconsommation forte.


• Les paramètres :

La charge organique entrante.

Le pH : c’est le principal paramètre de contrôle à ajuster pour maintenir la réaction.

L’oxygène : il est très toxique pour les bactéries. Il faut donc s’assurer de l’étanchéité du digesteur.

L’agitation : délicat à maîtriser du fait de l’hétérogénéité des déchets entrants (brassage mécanique ou par injection de biogaz.


Les traitements biologiques, Cercle National du Recyclage, 2000

Procédé de digestion thermophile DRANCO


Digesteur

www.pierre-lemaire.fr

www.bsdv.com

Gazomètre


Le biogaz : 11-15 % de la masse initiale du déchet.

TracesH2S

6%H2O

25-45%CO2

45-65%Méthane

Données sources ADEME

Utilisation en :Production de chaleur.

Production d’énergie électrique.

Gaz de ville après épuration.


L’affinat : Il est obtenu après stabilisation aérobie (« fermentation chaude » du compostage) du digestat (30-60 % de la masse initiale du déchet). Mauvaises propriétés agronomiques car ils ne contient pas d’humus.

Les eaux excédentaires : de 20 à 40 % de la masse initiale du déchet.


Plan

1. Le gisement des déchets organiques2. Les techniques de traitements


3. Analyse comparative des traitements4. Evolution de la politique de gestion

Ecologique

Sociétal Economique

3. Analyse comparative des traitements

Approche systémique du développement durable.

Approche économique :

44-67Stockage en CET

65Si < 50000 t/anPyrolyse et gazéification

137 à 6920 à +de 120000 t/an

Incinération

99 à 386 à 22000 t/anCompostage de la fraction fermentescible des ordures

ménagères (FFOM).

69 à 49 20 à 50000 t/anMéthanisation

Coût HTEuros/tonne

CapacitéMode de traitement


Approche économique :

•Ensemble des filières sont compétitives avec des capacités de charge différentes.

•Les filières biologiques présentent donc un intérêt fort pour les collectivités.


Approche sociétale :

Incinération : rejet fort de la population devant les risques liés aux émissions gazeuses (ex: incinérateur de Fos sur mer).

Voir l’émission « C dans l’air » du 18/01/06 sur www.france5.fr



Pyrolyse et gazéification :

• Peu connue du grand public et des collectivités locales.

•Mauvaise réputation due à plusieurs échecs de projets.

•Les professionnels s’intéressent de nouveau à cette technique.



Traitements biologiques :

• Appréciés par la population notamment pour ce qui est du compostage.

•Biologique = bon. Le compost n’est plus perçu comme un déchet.

•La méthanisation intéresse de plus en plus les industriels.




De manière globale, les installations de traitement des déchets permettent la création d’emplois notamment pour les personnes en insertion.

Cet argument est important pour les collectivités locales.

Nombreuses décharges ne captent pas leur biogaz.

Possibilité de gestion efficace des rejetsCET

Si brûlage en torchèreValorisation énergétique

Émission de polluants organiquesValorisation matière

Rejets aqueux

Risque microbiologique

Beaucoup moins de résidus et de fumées.

Pas de dioxines.Risque de pollution organique.

Nombreux résidus pouvant être dangereux pour la santé

Valorisation matière

Valorisation énergétique avec un meilleur rendement que

l’incinération.

Valorisation énergétique

Méthanisation

Compostage

PyrolyseGazéification

Incinération

Impact(s) négatif(s) Impact(s) positif(s) Traitements


Approche environnementale :

+ + +

+ +

+

_ _

_

App environnementale

_CET

++

+++

+

_ _ _

Méthanisation

Compostage

PyrolyseGazéification

Incinération

App sociétaleTraitements


Plan

1. Le gisement des déchets organiques2. Les techniques de traitements


3. Analyse comparative des traitements4. Evolution de la politique de gestion

Loi du 13 juillet 1992 renforce cette politique en France :Prévention à la source.

Optimisation de la valorisation (recyclage, réemploi, traitement, …).

Limitation de l’enfouissement aux seuls déchets ultimes au 1er juillet 2002.

4. Evolution de la politique de gestion

Les réglementations européenne et française en terme de déchets existent depuis 1975.

La situation en 2002 :


Les perspectives :

•De nombreux agents économiques du marché semblent s’intéresser aux différentes techniques de traitement.

•Le traitement biologique est de plus en plus « à la mode »:•700 installations de compostage fin 2004.

•200 installations de méthanisation fin 2003 (fort potentiel).

Ces chiffres augmentent à chaque recensement.


• Le traitement des déchets et plus précisément des DO est encore un secteur « juvénile » en plein développement.

• La connaissance et la maîtrise des techniques et technologies disponibles doit encore être améliorée.

• La politique de prévention et de valorisation sont promues par le MEDD.

• A chaque projet correspond une solution technique différente.

• Ouverture vers des technologies innovantes.

Conclusion

Bibliographie

Ouvrages

•“Guide du traitement des déchets”, A. Damien, Ed. Dunod, 2004.• “Traitement des pollutions industrielles”, E. Koller, Ed. Dunod, 2004.•“Traité de l’environnement”, Cadre réglementaire communautaire et interne des déchets, C. London,, Ed. Tachniques de l’ingénieur.• “Traité de l’environnement” , Les traitements biologiques, G. Antonini, Ed. Techniques de l’ingénieur, 2003.•«Traité de l’environnement, Les traitements thermiques », G. Antonini, Ed. Techniques de l’ingénieur, 2003.•“Recyclage et valorisation des déchets ménagers”, G. Miquel et S. Poignant, OPECST, 1999.•“Le traitement biologique des déchets organiques”, Cercle National du Recyclage, 2000

Bibliographie

•www.ademe.fr•www.bio-nrj.fr/traitement-dechets-organiques.html•www.environnement.gouv.fr

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