CA2282884A1 - Methode de decontamination de residus d'incineration - Google Patents

Abstract

Une méthode de décontamination de résidus d'incinération contenant des métaux lourds lixiviables est ici présentée. La méthode consiste en des lavages de ces résidus à des conditions de pH et de température adéquates pour permettre la solubilisation des métaux lixiviables que ces résidus contiennent et en l'extraction des métaux solubilisés en phase aqueuse. La méthode comprend ainsi alternativement le lavage des résidus d'incinération dans des bains alcalins ou acides ou dans les deux types de bains en séquence. Cette méthode possède l'avantage de produire des résidus d'incinération suffisamment dénués de métaux lixiviables pour pouvoir être enfouis et des eaux de lavages pouvant être jetées aux égouts.

Description

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

2 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.

3 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

4 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 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

6 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

7 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 ô
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 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 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.

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 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 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 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.

Claims

REVENDICATION

1. Méthode de décontamination de résidus d'incinération contenant au moins un des métaux suivants: Pb, Zn, Hg, As, Cu, Cd, Mn et comprenant a) au moins un lavage de résidus d'incinération dans une solution alcaline permettant de solubiliser au moins un des métaux de ces résidus;
b) au moins un lavage de résidus d'incinération dans une solution acide permettant de solubiliser au moins un des contaminants métalliques de ces résidus;
c) après chaque lavage, une séparation solide liquide des solutions de lavages pour obtenir une portion substantiellement solide et des surnageants;
d) une précipitation des métaux contenus dans les surnageants.
e) l'obtention de résidus lavées produisant des lixiviats contenant moins de 5 mg Pb/L et moins de 0.5mg Cd/L