Dissertations / Theses on the topic 'Cendres d'incinération des boues'

La valorisation des cendres d'incinération des boues de l'assainissement collectif (CIBAC)permettrait de diminuer la quantité de ces déchets déposée en centre de stockage. L'étude des propriétés physiques, de la composition chimique, de la nature minéralogique et du comportement environnemental a été menée sur 4 CIBAC et sur une cendre volante de centrale thermique qui est un matériau de référence en terme de comportement pouzzolanique. Cette étude a montré que les CIBAC ont des propriétés physiques et un comportement environnemental comparables à ceux des cendres volantes de centrale thermique niais ont une composition chimique et une nature minéralogique bien distinctes de celles des cendres volantes de centrale thermique. Les CIBAC sont caractérisées par une faible teneur en constituants acides réactifs (%Si + %A1 < 50 %) et par une forte teneur en phosphates (P2 O5 = 20 %). Le phosphate des CIBAC est présent sous la forme d'un minéral unique, la whitlockite, qui est un phosphate de calcium, de magnésium, de manganèse et de fer. Les résultats de l'essai Chapelle et des essais de résistance à la compression sur des mortiers dont une partie du ciment a été substituée par des CIBAC montrent que les CIBAC sont peu réactives en présence de chaux (consommation de chaux 4 fois plus faible que celle des cendres volantes de centrale thermique) et ont un comportement mécanique semblable à celui d'un matériau inerte. La valorisation des CIBAC comme matériau pouzzolanique ne semble donc pas intéressante. En revanche, l'ajout des CIBAC à un sol acide forestier (pH = 3,6 et %P < 100mg/kg) permet un accroissement de la teneur en phosphore assimilable du sol et permet un regain de son activité biologique par correction du pH, amélioration de la nitrification et apport d'oligo-éléments. La valorisation des CIBAC comme fertilisant phosphaté et amendement calcique mériterait donc d'être prise en considération.

Des quantités importantes de cendres (4,12 million kg en France en 2008) sont issues de l'incinération des boues de station d'épuration. La valorisation de ces cendres comme matière première secondaire pour l'élaboration de matériau dans le domaine du bâtiment et des travaux publics (BTP) a été étudiée dans cette thèse. La caractérisation physique et chimique des cendres et l'étude de leur réactivité ont révélé un comportement intermédiaire entre le ciment et le sable, proche du comportement de matériaux pouzzolaniques. Les tests de lixiviation réalisés sur les cendres ont montré qu'à l'exception du Se et du Mo, les éléments présents dans les cendres sont solubilisés à des concentrations inférieures aux seuils définis règlementairement pour les déchets inertes ou non-dangereux. Les liens entre la solubilisation des éléments et la minéralogie des matériaux ont été étudiés à travers la modélisation géochimique réalisée sous PhreeqC. L'influence du taux de substitution du ciment par les cendres sur les propriétés mécaniques des matériaux a également été étudiée. L'indice d'activité à 28 jours de la cendre est conforme à la spécification de la norme EN 450-1. La résistance du mortier diminue quand le taux de substitution augmente à cause de la faible teneur en CaO dans les cendres et de l'apport supplémentaire d'eau nécessaire. Pour le béton avec un taux de substitution de 10 %, la résistance est comparable à celle du béton témoin. L'essai de durabilité des matériaux cimentaires incorporant les cendres révèle une forte diminution de résistance mécanique sous l'effet de la sollicitation au gel/dégel. Une évaluation environnementale de ces matériaux a été réalisée par l'essai de lixiviation à l'échelle du laboratoire et à l'échelle pilote. Les quantités relarguées cumulées des éléments polluants et des anions sont inférieures aux seuils sans impact environnemental, acceptables en construction aux Pays-Bas et en France.

La stabilisation (insolubilisation) des métaux lourds, contenus dans deux cendres volantes (CV) d'incinérateurs d'ordures ménagères par un traitement à l'acide phosphorique cherche à former des phospates calciques insolubles capables d'incorporer dans leur matrice cristalline les métaux lourds pour un stockage plus sûr et pour une valorisation matière potentielle. Après une caractérisation physico-chimique et thermique, les mesures rhéologiques montrent un comportement rhéofluidifiant à seuil pour les CV, confirmé par une étude de changement d'échelle en rhéo-réacteur. La réaction de phosphatation des CV, exothermique et rapide de type dissolution-précipitation, est contrôlée par la réaction chimique. L'étude de certains composés majeurs a permis une meilleure compréhension de la réaction de phosphatation des CV. Les phosphates calciques formés enrobent les particules inertes et présentent de bonnes aptitudes à stabiliser les métaux lourds
A chemical treatment based on phosphoric acid applied to two municipal waste incinerator fly ashes (FA) is described. The aim is to stabilise the heavy metals by insolubilisation in phosphate form. Insoluble calcium phosphates can incorporate heavy metals in their matrix yielding safer materials for storage or beneficial reuse. Rheological measurements show fluidifying behaviour for the water-ashes suspensions. The laboratory rheometer results are confirmed at larger scale with a helicoidal geometry mixer in a rheoreactor. Phosphoric acid reacts with FA exothermically with rapid kinetics of the dissolution-precipitation type with chemical reaction control. Model kinetic studies of major components alone reveal that FA react with phosphoric acid mainly as calcium carbonate does. The physico-chemical properties and mineralogy of the starting ashes and final reaction products are compared. Precipitated calcium phosphates coat the inert particles and effectively retain heavy métals

Les biosolides et les cendres de combustion de boues (CCB) constituent des sources importantes d’éléments nutritifs (particulièrement l’azote et/ou le phosphore). Bien que plusieurs auteurs aient étudié la disponibilité de ces éléments dans les biosolides, ces études se sont concentrées sur des produits spécifiques et réalisées dans des conditions expérimentales différentes, générant des résultats très diversifiés. Ainsi, il n’existe actuellement aucun modèle de prédiction de la disponibilité de ces éléments pour les cultures. Concernant les CCB, elles ont été largement caractérisées chimiquement au cours des dernières années, mais il existe très peu d'études sur la réponse des cultures à cette source de phosphore. Cette étude fournit des modèles de prédiction de la disponibilité de l’azote et du phosphore dans ces produits afin d’améliorer l'efficacité de leur recyclage agricole et éviter les risques environnementaux. Deux modèles d’évaluation et de classification de la biodisponibilité de l’azote et du phosphore dans les biosolides ont été élaborés à partir des données de la littérature scientifique nationale et internationale. Le potentiel fertilisant de 12 CCB provenant de monoincinérateurs situés au Canada et aux États-Unis a été également testé dans une expérimentation réalisée en serre en utilisant deux types de sol. Ensuite, la modélisation par la méthode de forêt aléatoire a été utilisée pour déterminer un indicateur de prédiction de la disponibilité du P dans les CCB. En fonction du rapport C/N, la disponibilité de l’azote dans les matières résiduelles fertilisantes a été classée en deux grands systèmes : un minéralisateur et un immobilisateur, pour un total de six sous-systèmes: i) forte minéralisation : coefficient d’efficacité relative de l’azote (CERN) de +66% et C/N≤5, ii) minéralisation moyenne : CERN de +33% et 5140. En fonction de la concentration molaire total en aluminium et en fer, la disponibilité du phosphore dans les biosolides a été divisée en 4 classes de disponibilité: i) très élevée (230-400 mmol kg-1), ii) élevée (401-1100 mmol kg-1), iii) moyenne (1101-2800 mmol kg-1) et iv) faible (2801-5132 mmol kg-1). Suite à l'application des CCB, l'augmentation de la biomasse aérienne du ray-grass par rapport au témoin varie de 4-29% et de 15-59% dans les sols argileux et loam sableux, respectivement. Cette augmentation est en moyenne 40% inférieure à celle du triple super phosphate (TSP) pour les deux types de sols. Les plus grandes augmentations de biomasse ont été obtenues pour les CCB ayant un pourcentage de solubilité du P (PSP) ≥ 54%. Un comportement similaire a été observé pour le prélèvement du P par la plante avec des augmentations maximales de 26% et de 165% pour le sol argileux et loam sableux, respectivement. Suite à l'application des CCB, l’augmentation de la biomasse et du prélèvement en P est supérieure à celle du phosphate naturel (PN) dans le sol argileux, mais similaire dans le sol loam sableux. La modélisation par la méthode de forêt aléatoire montre que l’extraction à l’oxalate est un indicateur pratique de prédiction de la disponibilité du phosphore des CCB et que l’aluminium est le facteur influençant le plus cette disponibilité.
Biosolids and sludges incinerated ashes (SIA) are valuables sources of nutrients (N, P) and organics matter. During the last decades, a considerable amount of research has been done on biosolids nutrients availability after their application onto agricultural land. But these studies are focused on specific products and performed under different experimental conditions, generating very different results. Therefore, so far, no model has been proposed to predict nitrogen and phosphorus plant availability for biosolids land application. Although the chemical characterization of SIA has been widely examined, there are only a few studies regarding crop responses to this source of P. This study has generated prediction models to evaluate nitrogen and phosphorus plant availability in these products in order to improve their agricultural recycling and avoid environmental risks of pollution. Data were collected from national and international literature in order to design two models to assess and classify nitrogen and phosphorus availability in SIA. Twelve SIA from mono-incinerators located in Canada and the USA were tested for their fertilizing potential in a greenhouse experiment. Then, random forest modeling was used to find out an indicator of prediction of SIA phosphorus availability. Depending on the C/N ratio of non-composted by-products, six categories were defined. i) high mineralization: +66 % relative N effectiveness (RNE) and 5 ≤ C/N, ii) moderate mineralization: +33 % RNE and 5 < C/N ≤ 16, iii) low mineralization: +9 % RNE and 16 < C/N ≤ 38, iv) low immobilization: −9% RNE and 38 < C/N ≤ 90, v) moderate immobilization: −27 % RNE and 90 < C/N ≤ 140, and vi) high immobilization: −55 % RNE and C/N > 140. According to the total molar concentration of Al and Fe in biosolids, phosphorus availability were divided into 4 classes: i) very high (230-400 mmol kg-1), ii) high (401-1100 mmol kg-1), iii) medium (1101-2800 mmol kg-1), and, iv), and low (2801-5132 mmol kg-1). The biomass increases following an SIA application were as high as 29 % and 59 % more than the control for the sandy loam and clayey soil, respectively, but 40% less than for the triple super phosphate (TSP), for both soils. The ray-grass biomass and P uptake increases due to SIA applications were larger than those of rock phosphate (RP) application in the clayey soil, but similar to those in the sandy loam soil. A similar behavior was observed for P uptake, with a maximum increase of 26 % for the clayey soil, and 165 % for the sandy loam soil. The SIA with a PSP of ≥ 54% significantly increased soil available P stocks and saturation. The random forest modeling shows that oxalate extraction is a practical indicator of prediction of SIA phosphorus availability. Also, this modeling shows that SIA Al content is the most influent factor of this availability.

The rapid deterioration of the global environment forces people to increasingly take into consideration. Nowadays, concrete is the most extensively-used construction material in the world. Cement, the dominant material for manufacturing concrete, has been largely used in the past few decades. It has also been generally considered as an environmentally hazardous material, mainly due to CO2 emissions during the production process. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. Among these by-products, fly ash generated during combustion of coal has been successfully used in concrete for many years. Unlike traditional fly ash, a new type of ash may also be used. It is obtained by combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in a fluidized-bed system from Brompton Mill located near Sherbrooke, Canada. However, the properties and the applications of this new by-product are not well known. An investigation was carried out to characterize this new material and examine its performance as an alternative material in the production of concrete. Firstly, the chemical, physical, mineralogical, and morphological characteristics of WSA were analyzed and were compared with traditional ash. In addition, the rheological properties of pastes and mortars mixed with WSA were evaluated by tests such as the calorimeter, mini-slump, marsh cone, and compressive strength of mortar cubes. In addition, the optimum ratio of cement replaced by WSA was examined by the compressive strength of concrete at the age of 1, 7, 28 and 91 days. Herein, two different water-to-binder ratios are considered: 0.4 and 0.55. Finally, the comprehensive properties of WSA concrete applying to the optimum ratio was carried out in different aspects such as fresh, mechanical properties, volume-change, and durability.The results show that it is possible to use WSA as a new cementitious material in concrete. According to the experimental results, a high-range water-reducing agent was required, even at a higher water-to-binder ratio (WSA showed a high degree of water demand). It study also revealed that WSA concrete had low permeability, and resisted freezing and thawing compared to the control mixture. In addition, the high CaO content in WSA substantially increased the expansion of concrete, early in the process. This greatly compensated the autogenous shrinkage that was developed in concrete with a low water-to-binder ratio. However, WSA is not recommended for use in environments containing a high quantity of sulphate, because its higher lime phase may cause the damage to constructions.

L'objectif de ce travail est d'etudier la vaporisation reactive de metaux lourds, lors de la vitrification de cendres volantes d'incineration d'ordures menageres, afin de definir des criteres de choix pour un procede plasma. Dans la partie theorique, un modele general a ete developpe pour etudier le comportement de la vaporisation d'un liquide constitue aussi bien d'oxydes simples et doubles que de chlorures. Le modele est base sur le couplage entre l'equilibre chimique et le transfert de matiere a l'interface de vaporisation. Il permet de prevoir l'evolution dans le temps de la pression des especes vapeurs, de la densite de flux molaire des especes et la perte de masse des elements. Grace a la prevision du modele, les conditions les plus favorables au piegeage des metaux lourds au cours de la vitrification de cendres sont definies: temps de sejours faible, pression d'oxygene elevee et temperature la plus basse possible compatible avec la temperature de fusion des cendres. Dans la partie experimentale, plusieurs reacteurs bases sur la technologie des plasmas thermiques, arc transfere et arc souffle, ont ete mis en uvre. Ils permettent une vitrification de cendres volantes en vue de produire un verre inertie de faible volume. Moyennant certaines hypotheses et estimations (coefficient de diffusion et epaisseur de la couche limite de concentration), la confrontation des resultats theoriques et experimentaux a permis de cerner le niveau de temperature atteint en regime d'arc transfere par les cendres liquides. L'analyse des caracteristiques d'arc en fonction de l'epaisseur du bain fondu nous a permis d'estimer les conductivite electrique de ces cendres liquides. Tous nos resultats mettent en lumiere le role preponderant de la temperature ainsi que du temps de traitement sur le taux de piegeage des metaux

D’après les limites d’acceptation pour la mise en décharge des déchets, les REFIOM (Résidus d’Epuration des Fumées d’Incinération d’Ordures Ménagères) sont considérés comme déchets dangereux, car ils libèrent des quantités importantes de chlorures et de métaux lourds lorsqu’ils entrent en contact avec de l’eau. Ces solides doivent par conséquent être traités avant leur mise en décharge. A côté des traitements visant l’acceptabilité des REFIOM en décharge, quelques recherches entrevoient la possibilité de valoriser ces résidus, notamment dans des matériaux cimentaires.

Les recherches présentées ici s’inscrivent dans cette tendance nouvelle et visent l’élaboration d’un procédé combinant traitement et valorisation des REFIOM.

Les REFIOM représentent en fait différents types de résidus provenant des installations que rencontrent les fumées issues de l’incinération des déchets. La composition des résidus diffère selon leur origine. Il est dès lors apparu essentiel de considérer chaque type de résidu séparément et de poursuivre l’élaboration d’un traitement sur un seul type de REFIOM. Nous avons choisi de concentrer les recherches sur les Cendres Volantes de Chaudière (CVC), ces résidus se retrouvant dans tout incinérateur.

Le traitement des CVC est basé sur l’extraction de fractions valorisables et la séparation de fractions contaminées, permettant d’obtenir des résidus acceptables en décharge ou, idéalement eux-mêmes valorisables.

Une séparation magnétique permet d’extraire environ 10% en poids des CVC mais ne semble pas exploitable dans le cadre du traitement des CVC car les particules magnétiques contiennent des impuretés (composés non magnétiques) et que le résidu final reste contaminé.

Une étude de la répartition des éléments en fonction de la taille des particules (granulochimie) est effectuée sur les CVC. Il apparaît intéressant de séparer la fraction inférieure à 38 µm obtenue lors d’une séparation granulométrique, effectuée en voie humide en utilisant une solution dense. En effet, cette fraction semble être nettement plus contaminée en Pb (soluble) que le reste des CVC. Une telle séparation constitue dès lors la première étape du traitement des CVC. Elle est suivie par des étapes de lavage des fractions obtenues, visant à extraire les sels solubles (chlorures et métaux). Les lavages sont envisagés à contre-courant afin d’utiliser au mieux l’eau de lavage. Une recirculation interne des solutions est également prévue, de sorte que, théoriquement, le procédé ne génère pas d’effluents liquides. Une étape de précipitation de composés métalliques (PbS dans ce cas-ci) est prévue après le lavage des boues.

Le procédé de traitement des CVC produirait ainsi des boues et des granulats décontaminés, des sels et des précipités métalliques. Seules certaines étapes du procédé ont été investiguées en laboratoire ;des essais supplémentaires sont encore nécessaires pour optimiser chaque étape, comprendre les phénomènes physico-chimiques qui se produisent et assurer des filières de valorisation.

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Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) fly ashes and Air Pollution Control (APC) residues are considered as hazardous waste according to the limits for the acceptance of waste at landfills, because high amounts of chlorides and heavy metals leach from the solids when those are in contact with water. These residues have thus to be treated before they can be accepted in landfill. Several treatments aim to limit the leaching of the residues. Beside these treatments, some research works go further the treatment and consider the valorisation of MSWI fly ashes and APC residues, e.a. in cementitious materials.

The present work follows the new trend and aims to build up a process that combines treatment and valorisation of MSWI fly ashes and APC residues.

MSWI fly ashes and APC residues come from the devices encountered by the flue gases from waste incineration. The residues composition differs according to their origin. It seems thus essential to consider each type of residues separately and to develop the treatment only on one sort of residue. Boiler Fly Ashes (BFA) were chosen because they exist in every modern MSWI plant.

The BFA treatment is based on the extraction of valorisable fractions and on the separation of contaminated fractions, which makes the final residues less hazardous; these final residues would then be acceptable in landfill, or, even better, be valorisable.

A magnetic sorting extracts ~10% (wt.) of BFA; however, such a separation would not be useful in a treatment process because the magnetic particles contain some impurities (non magnetic particles) and the final residue is still hazardous.

The repartition of the elements according to the particles size has been studied on BFA. It seems interesting to separate the BFA at 38 µm by a wet sieving process using a dense solution. The lower fraction presents a higher contamination in Pb (soluble) than the larger. Consequently, the first step of the BFA treatment consists of a wet sieving. Washing steps follow the sieving and aim to extract soluble salts (chlorides, heavy metals). These washings work in a counter-current way to optimise the use of water. The solutions are recycled in the process, which implies the absence of liquid effluents. A precipitation step of some metallic compounds (PbS in this case) is foreseen after the washing of the lower fraction.

The BFA treatment process would produce decontaminated sludge and coarse fractions, salts and metallic compounds. Some steps of the process have been investigated at lab-scale; further studies are necessary to optimise each step, to understand the observed reactions and to guarantee valorisation channels.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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Le développement durable et les conceptions plus écologiques sont devenus très présents dans le monde du génie civil. Cependant, un des matériaux de construction les plus utilisés figure parmi les plus polluants. En effet, la production du ciment, l'ingrédient clé du béton, est responsable d'une quantité importante d'émission de CO[indice inférieur 2]. Une solution est de remplacer une partie du ciment par des ajouts cimentaires provenant de sous-produits industriels, comme les cendres volantes provenant de la combustion du charbon. Au Québec, ce type d'ajout cimentaire n'est pas disponible localement. Une autre avenue est cependant possible, avec la combustion de biomasse sur un lit fluidisé. L'usine de pâtes et papiers Kruger, à Bromptonville, Québec, a récemment construit une usine de cogénération afin de valoriser ses boues de désencrage, ses boues primaires et secondaires et ses résidus de bois. À différents moments de la production, l'usine a produit six différentes cendres. Les températures de combustion ainsi que la provenance et les dosages en matières combustibles ont varié et produit des cendres ayant différentes propriétés dans les bétons. La présente recherche a tenté d'étudier et de comprendre la variation des propriétés sur bétons des différentes cendres pour ainsi faire un choix optimal selon les matières premières et les températures de combustion. Deux rapports E/L ont été testés : 0,55 et 0,4. Un taux de remplacement du ciment par les cendres de 20 % a été choisi à chaque fois. Les résultats montrent que les cendres demandent une plus grande quantité de superplastifiant, qui semble être reliée à la quantité de particules inférieures à 3 [micro]m. Des bétons formulés avec certaines cendres ont des résistances mécaniques très près ou supérieures au témoin dès 1 jour, tandis que d'autres ont de plus faibles propriétés mécaniques. La quantité de chaux libre présente dans les cendres semble avoir un effet bénéfique sur les résistances. Les perméabilités aux ions chlore à 28 jours sont souvent plus élevées que le témoin, mais se rapprochent ou sont plus faibles dans certains cas à 91 jours. Il est à noter que du gonflement et des microfissures apparaissent avec certaines cendres. Étonnamment, les cendres contenant le plus de chaux libre sont celles montrant le moins de gonflement.Le projet a aussi tenté d'étudier la compatibilité avec quatre superplastifiants de type polycarboxylate. Deux des six cendres ont été sélectionnées pour faire des bétons de rapport E/L de 0,4, toujours avec un taux de remplacement de 20 %. Parmi les quatre superplastifiants étudiés, seul le Glenium 7102 montrait une bonne rétention de l'affaissement avec les deux cendres.Le Viscocrete 2100 et le Adva 405 semblaient accentuer les gonflements et les microfissures observés précédemment. Finalement, des mélanges ternaires de rapport E/L de 0,4 ont été faits afin de tenter de diminuer la variabilité des performances entre les cendres. Des combinaisons ont été faites avec du métakaolin, du laitier, de la fumée de silice et une cendre volante normalisée de classe F. Il a été possible de conclure qu'une combinaison entre les cendres de Kruger et une cendre normalisée de classe F donne les mélanges les plus robustes.

La production des quantités considérables des boues de papeterie principalement issues des opérations de désencrage et de traitements des eaux résiduaires, incite les industriels et les pouvoirs publics à développer de nouvelles voies de valorisation. Dans cette optique, la valorisation des boues de papeterie dans le domaine du bâtiment et des travaux publics (BTP) et plus particulièrement comme substituant partiel du ciment fait l'objectif de ces travaux. La méthodologie d'étude que nous avons adopté afin d'apprécier la pertinence de cette voie comporte plusieurs étapes. La première est la caractérisation des propriétés physicochimiques du déchet brut. Suivent ensuite deux études menées en parallèle, mais dont les buts sont différents : une étude technologique, visant à évaluer l'influence du déchet sur les propriétés mécaniques des matériaux de construction, et une étude environnementale, concernant la quantification de l'impact du déchet sur l'environnement. Les résultats des tests de lixiviation sélectionnés (CNA et TLM) ont permis d'alimenter les paramètres d'entrée des modèles physicochimiques et de transfert de matière pour la simulation du comportement à la lixiviation. La cohérence entre les résultats expérimentaux et ceux de simulation prouve que les modèles géochimiques et le couplage géochimie-transport décrivent bien le relargage des espèces chimiques contenues dans les matériaux. D'autre part, la modélisation géochimique et couplée géochimie-transport a confirmé que la lixiviation des mortiers contenant les boues calcinées à 700°C est similaire à celui d'un mortier " commun " du matériau stabilisé
The Production of the considerable quantities of paper sludges mainly resulting from the operations of de-inking and waste water treatments encourages the industrialists and the authorities to develop new ways of valorization. Accordingly, the valorization of paper sludges in the public works and building trade to partially substitue the cement is the objective of this work. The methodology adopted in order to appreciate the relevance of this way comprises several stages. The first is the characterization of the physico-chemical properties of rough waste. Then two studies undertaken in parallel follow, but from which the goals are different: a technological study, in ordre to evaluate the influence of waste on the mechanical properties of building materials, and an environmental study, concerning the quantification of the impact of waste on the environment. The results of the selected tests of leaching (CNA and TLM) made it possible to feed the parameters of entry of the physico-chemical models and transfer of matter for the simulation of the leaching behaviour. The consistency between the experimental and simulated results proves that the geochemical models and the coupling geochemistry-transport describe well the release out of the chemical species contained in materials. Geochemical and coupled modelling geochemistry-transport confirmed that the leaching of the mortars containing paper sludges calcined at 700°C is similar with that of a "common" mortar of stabilized material

Le but de ce travail était de mettre au point un procédé de traitement des eaux de lavage de fumées d'incinération d'ordures ménagères ou de déchets industriels. Les conditions de mise en œuvre de nouveaux matériaux de synthèse destinés à séparer les métaux contenus dans ces effluents ont été déterminées dans un premier temps par des essais sur des eaux synthétiques. La caractérisation des phases solides et liquides issues de l'étape de séparation, par des méthodes analytiques comme l'adsorption atomique, l'ICP ainsi que les techniques de RMN du silicium et de l'aluminium, a permis de préciser les mécanismes de piégeage de plusieurs éléments polluants (Pb, Zn, Ca, Al) par les carbonates et les silicates de sodium qui constituent les deux principaux agents réactifs de ces matériaux. Les silicates solubles réagissent avec les cations pour former des silicates amorphes. Par contre, la silice n'est jamais précipitée. L'utilisation d'une membrane de microfiltration comme technique de séparation solide/liquide, pour concentrer les précipités issus de l'ajout de matériaux synthétiques dans les effluents étudiés, s'est avérée performante dans la mesure où les boues obtenues sont plus concentrées qu'après une décantation (technique utilisée dans la filière actuelle de traitement) et où le filtrat répond aux normes de rejet en milieu naturel. La déshydratation de ces boues concentrées conduit à un déchet pâteux dont le potentiel polluant et la stabilité ont été estimés grâce à deux tests de lixiviation. Ces essais montrent que les phases solides, caractérisées dans la première partie de l'étude, sont engagées dans des réactions de dissolution et de reprécipitation simultanées. Un procédé innovant, performant et simplifié par rapport au traitement actuel des eaux de lavage de fumées d'incinération a donc été mis au point à l'issue de cette étude
The aim of this work was to define a treatment process of flue gas cleaning wastewater from household refuses or industrial wastes incineration. Different synthetic wastewaters were used to determine the optimal heavy metal removal conditions using sodium carbonate and silicate as the two reactive agents in a new synthetic material. The solid and liquid phases characterized by fine analytical methods allowed to precise the removal mechanisms of several pollutants. Ln the solid phase, the soluble silicates reacted with diverse cations to form amorphous silicates however no silica were found. Microfiltration membrane was used as a solid/liquid separation technique. After treatment, the solid phase presented higher concentrations than traditional sedimentation techniques, communly used in this field. The filtrate physical-chemical characteristics complied with aIl quality standards for discharge in the environment. The sludges dewatering process lead to a pasty waste. Its pollutant potential and stability were estimated by using two leaching tests. The data showed that the different solid phases were involved in dissolution and precipitation mechanisms. This study has highlighted a new flue gas cleaning wastewater chain that is more efficient and easier of usage than the present industrial process

Face aux préoccupations environnementales liées à la production du clinker, la recherche d’alternatives pour une construction plus durable et rationnelle s’avère une nécessité. Pour répondre en partie à cet objectif, plusieurs types de sous-produits peuvent faire l'objet d'une valorisation dans le domaine de la construction, en tant que remplacement du ciment. Ces matériaux méritent d'être considérés pour, outre les aspects environnementaux, leur potentialité vis-à-vis de certaines dégradations du béton. Ceci est le cas des cendres volantes, les fumées de silices et les laitiers de hauts fourneaux, qui ont montré une compatibilité avec les matériaux cimentaires et sont désormais utilisés dans un contexte normalisé. Cependant, même si l’extension de cette liste permet de répondre à un besoin réel tout en valorisant des déchets locaux, cette piste reste loin d’être pleinement exploitée. D’une part, l’utilisation optimale de nouveaux matériaux implique la maitrise de leurs mécanismes réactionnels dans la matrice cimentaire. Et d’autre part, le manque de données concernant les performances à long-terme et de durabilité rend difficile leur application à l’échelle industrielle. Cette thèse s’inscrit dans cette optique et vise à élargir les connaissances quant aux mécanismes réactionnels d’ajouts cimentaires alternatifs. Plus spécifiquement, le cadre de ce travail est l’étude des propriétés physico-chimiques de la poudre de verre (GP) et des cendres des boues calcinées de stations d'épuration (SSA) et leurs influences sur les propriétés macroscopiques des mortiers et bétons. Un programme expérimental est établi pour fournir une caractérisation complète de la composition de la matrice cimentaire. Pour ceci, des approches de pointe basées sur la diffraction aux rayons X (Rietveld-PONKCS) et la spectroscopie quantitative aux rayons X (SEM-QEDS) sont employées. Les moyens mis en œuvre ont permis de déterminer (i) la cinétique de réaction des ajouts amorphes, (ii) la composition des silicates de calcium hydraté (C-(A)-S-H) et finalement (iii) l’agencement phasique dans des matrices cimentaires composées. Ensuite, les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux de la modélisation thermodynamique. La méthodologie définie dans ce travail peut aussi évaluer le potentiel de valorisation d’autres sous-produits industriels. La substitution du ciment par la GP induit un raffinement de la microstructure et une amélioration des propriétés de durabilité. Ceci revient à la formation de C-S-H à bas rapport Ca/Si, riche en sodium, comparé à un ciment Portland. Concernant les SSA, l’apport en aluminium, suite à la dissolution de la phase amorphe de ce sous-produit, favorise la formation des monocarboaluminates. Pour des taux de substitution jusqu’à 20%, les propriétés mécaniques des mortiers ne sont pas significativement affectées. Enfin, une étude de durabilité de ces matériaux dans des conditions faisant intervenir des composés soufrés est initiée et fait l’objet d’une discussion
With the increasing environmental concerns linked to clinker production, finding alternatives for a more efficient and sustainable construction became a necessity. With this aim in mind, several types of by-products can benefice from a rising interest in the construction field, as a potential cement substitute. These materials deserve to be considered, not only for their advantageous environmental aspects, but also for their potential regarding some concrete degradations. This is the cases of fly ash, silica fume and blast furnace slag that proved a compatibility with cement materials and are nowadays used in standardized context. However, even though extending this list allows responding to a real need while valuing local waste; this alternative does not seem to be fully exploited. On the one hand, an optimal use of novel materials involve an improved understanding of their reaction mechanisms in cementitious matrices. On the other hand, the lack of field data regarding long term performance and sustainability makes their use on an industrial scale difficult. This thesis follows this perceptive and aims to strengthen the knowledge related to the reaction mechanisms of alternative supplementary cementitious materials (SCMs). More specifically, this research investigates the physico-chemical properties of glass powder (GP) and sewage sludge ashes (SSA) and their influence on the macroscopic properties of mortar and concrete. An experimental program is designed to monitor the reactions of these additions and the evolution of the microstructural features constituting the cementitious matrix. To achieve this end, state-of-art approaches, based on an X-Ray diffraction (Rietveld-PONKCS) and Quantitative Energy-Dispersive Spectroscopy (SEM-QEDS), allowed to determine (i) the degree of reaction of amorphous SCMs, (ii) the composition of calcium-silicate-hydrates (C-(A)-S-H), and finally (iii) the phase assemblage of hydrating blended cements. After that, the experimental observations are confronted with thermodynamic modelling results. The proposed methodology can be eventually used to assess the use of other by-products as a cement component. The replacement of cement by GP is shown to refine the microstructure and improve the durability of concrete. This comes from the formation of sodium rich C-S-H with a low Ca/Si ratio compared to Portland cement. In the case of SSA, the aluminium, introduced by the dissolution of its amorphous phase, promotes the formation of monocarboaluminates. For substitution rates up to 20%, the mechanical characteristics of mortars are not significantly affected. Finally, a discussion on the durability of these materials in conditions involving sulphur compounds is initiated is presented

Abstract : Wastepaper sludge ash (WSA) is generated by a cogeneration station by burning wastepaper sludge. It mainly consists of amorphous aluminosilicate phase, anhydrite, gehlenite, calcite, lime, C2S, C3A, quartz, anorthite, traces of mayenite. Because of its free lime content (~10%), WSA suspension has a high pH (13). Previous researchers have found that the WSA composition has poor robustness and the variations lead to some unsoundness for Portland cement (PC) blended WSA concrete. This thesis focused on the use of WSA in different types of concrete mixes to avoid the deleterious effect of the expansion due to the WSA hydration. As a result, WSA were used in making alkali-activated materials (AAMs) as a precursor source and as a potential activator in consideration of its amorphous content and the high alkaline nature. Moreover, the autogenous shrinkage behavior of PC concrete at low w/b ratio was used in order to compensate the expansion effect due to WSA. The concrete properties as well as the volume change were investigated for the modified WSA blended concrete. The reaction mechanism and microstructure of newly formed binder were evaluated by X-ray diffraction (XRD), calorimetry, thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). When WSA was used as precursor, the results showed incompatible reaction between WSA and alkaline solution. The mixtures were not workable and provided very low compressive strength no matter what kinds of chemical activators were used. This was due to the metallic aluminum in WSA, which releases abundant hydrogen gas when WSA reacts with strong alkaline solution. Besides, the results of this thesis showed that WSA can activate the glassy phase contained in slag, glass powder (GP) and class F fly ash (FFA) with an optimum blended ratio of 50:50. The WSA/slag (mass ratio of 50:50) mortar (w/b of 0.47) attained 46 MPa at 28 days without heat curing assistance. A significant fast setting was noticed for the WSA-activated binder due to the C3A phase, free lime and metallic aluminum contained in the WSA. Adding 5% of gypsum can delay the fast setting, but this greatly increased the potential risk of intern sulfate attack. The XRD, TGA and calorimetry analyses demonstrated the formation of ettringite, C-S-H, portlandite, hydrogarnet and calcium carboaluminate in the hydrated binder. The mechanical performance of different binder was closely related to the microstructure of corresponding binder which was proved by the SEM observation. The hydrated WSA/slag and WSA/FFA binder formed a C-A-S-H type of gel with lower Ca/Si ratio (0.47~1.6). A hybrid gel (i.e. C-N-A-S-H) was observed for the WSA/GP binder with a very low Ca/Si ratio (0.26) and Na/Si ratio (0.03). The SEM/EDX analyses displayed the formation of expansive gel (ettringite and thaumasite) in the gypsum added WSA/slag concrete. The gradual emission of hydrogen gas due to the reaction of WSA with alkaline environment significantly increased the porosity and degraded the microstructure of hydrated matrix after the setting. In the last phase of this research WSA-PC blended binder was tailored to form a high autogenous shrinkage concrete in order to compensate the initial expansion. Different binders were proportioned with PC, WSA, silica fume or slag. The microstructure and mechanical properties of concrete can be improved by decreasing w/b ratios and by incorporating silica fume or slag. The 28-day compressive strength of WSA-blended concrete was above 22 MPa and reached 45 MPa when silica fume was added. The PC concrete incorporating silica fume or slag tended to develop higher autogenous shrinkage at low w/b ratios, and thus the ternary binder with the addition of WSA inhibited the long term shrinkage due to the initial expansion property to WSA. In the restrained shrinkage test, the concrete ring incorporating the ternary binder (PC/WSA/slag) revealed negligible potential to cracking up to 96 days as a result of the offset effect by WSA expansion. The WSA blended regular concrete could be produced for potential applications with reduced expansion, good mechanical property and lower permeability.
Résumé : Les cendres de boues de désencrage (CBD) sont générées par une centrale de cogénération par combustion boues de désencrage. Ils se composent principalement de phase amorphe d'aluminosilicate, anhydrite, gehlenite, calcite, chaux, C2S, C3A, quartz, anorthite, des traces de mayénite. En raison de leur teneur en chaux libre (~ 10%), CBD ont un pH élevé (13). Les chercheurs précédents ont montré que la composition des CDB a une mauvaise robustesse et les variations conduisent à une certaine inconsistance pour le béton avec un mélange de ciment Portland (CP) et des CBD. Cette thèse a porté sur l'utilisation des CBD dans différents types de mélanges de béton pour éviter l'effet délétère de l'expansion due à l'hydratation des CBD. Par conséquent, les CBD ont été utilisées dans la fabrication des matériaux à activation alcaline (MAA), en tant que source précurseur et comme activateur potentiel en tenant compte de sa teneur en matière amorphe et la nature très alcaline des CBD. De plus, le retrait endogène du béton avec CP à faible rapport E/L a été utilisé afin de compenser l'effet d'expansion en raison des CBD. Les propriétés du béton ainsi que le changement de volume ont été étudiés pour le béton mélangé avec des CBD modifiés. Le mécanisme réactionnel et la microstructure du liant nouvellement formé a été évaluée par la diffraction aux rayons X diffraction (DRX), calorimétrie, l'analyse thermogravimétrique (ATG), microscopie électronique à balayage (MEB) et spectroscopie à dispersion d'énergie aux rayons X (DEX). Quand les CBD ont été utilisés comme précurseur, les résultats ont montré des réactions incompatibles entre CBD et une solution alcaline. Les mélanges ne sont pas maniables et donnent de très faibles résistances en compression, peu importe le type d'activateurs chimiques utilisés. Cela est dû à l'aluminium métallique dans les CBD, qui permet de libérer de l'hydrogène gazeux en abondance quand les CBD réagissent avec une solution alcaline forte. D'ailleurs, les résultats de ces recherches ont montré que les CBD peuvent activer la phase amorphe contenue dans le laitier, poudre de verre (PV) et les cendres volantes de classe F (CVF) avec un rapport de mélange optimal de 50:50. Un mortier avec un rapport massique 50:50 de CBD et de laitier (E/L de 0,47) atteint 46 MPa à 28 jours sans l’aide d’un murissement à chaud. Une prise rapide significative a été notée pour le liant CBD activé en raison de la phase C3A, chaux libre et l’aluminium métallique impliqué dans les CBD. L’ajout de 5% de gypse peut retarder la prise rapide, mais augmente grandement le risque potentiel de l’attaque au sulfate interne. Le DRX, ATG et l’analyse calorimétrique ont démontré la formation d'ettringite, C-S-H, la portlandite, hydrogrenat et carboaluminate de calcium dans le liant hydraté. Les différentes performances mécaniques du liant ont été étroitement liées à la microstructure correspondante qui a été prouvée par le MEB. Les liants hydratés CBD/laitier et CBD/CVF ont formé un type de gel C-A-S-H avec un faible rapport Ca/Si (0,47 ~ 1,6). On a observé un gel hybride (à savoir C-N-A-S-H) pour le liant CBD/PV avec un des très faibles rapports Ca/Si (0,26) et Na/Si (0,03). Les analyses MEB/DRX ont montré une formation de gel expansive (d’ettringite et de thaumasite) dans le gypse ajouté au béton avec les CBD et le laitier. L'émission progressive de l'hydrogène gazeux en raison de la réaction des CBD dans un environnement alcaline a augmenté la porosité et la dégradation de la microstructure de matrice hydratée après la prise. Dans la dernière phase de cette recherche, le liant avec un mélange de CBD et de CP a été développé pour former un retrait autogène élevé, afin de compenser l'expansion initiale. Différents liants ont été préparés avec le CP, CBD, la fumée de silice ou du laitier. La microstructure et les propriétés mécaniques du béton peuvent être améliorées en diminuant les rapports E/L et en incorporant la fumée de silice ou du laitier. La résistance en compression à 28 jours du béton aux CBD était supérieure à 22 MPa et atteint 45MPa lorsqu'on a ajouté de la fumée de silice. Le béton avec du CP incorporant de la fumée de silice ou du laitier ont tendance à développer un retrait endogène plus élevée à de faibles rapports E/L, et donc le liant ternaire avec l'ajout des CBD réduit le retrait à long terme en raison de la propriété d’expansion initiale des CBD. Dans l'essai de retrait empêché, l'anneau en béton incorporant le liant ternaire (CP/CBD/laitier) a révélé un potentiel négligeable à la fissuration jusqu'à 96 jours en raison de l'effet de décalage de l'expansion des CBD. Des liants modifiés avec des CBD peuvent être utilisés dans des mélanges de béton ordinaire pour des applications potentielles avec des expansions réduites, des bonnes propriétés mécaniques et une faible perméabilité.

La valorisation thermique des farines animales par incinération génère des fumées qui doivent être traitées pour respecter la réglementation sur les émissions atmosphériques. Cette travail de thèse traite de la co-incinération de farines animales et de boues de station d'épuration, et a été mené dans une installation industrielle. Une campagne de mesures sur site a permis de déterminer la composition chimique des phases gazeuse (O2, CO2, H2O, NOx, SO2, HCl, NH3) et solides (C, H, O, N, S, Cl, Na, K, Ca, P, Fe, Si) de toutes les entrées et sorties de l'installation. Une méthode d’évaluation des flux massiques est proposée et un bilan de matière établi. Les résidus ultimes d’incinération sont constitués de cendres et de résidus de traitement des fumées (REFIDIS) qui représentent environ 25 % de la masse des déchets incinérés. Les cendres sont composées essentiellement de phosphates de calcium, les REFIDIS de sels sodiques. L'efficacité du système de traitement des gaz acides et des NOx a été estimée. Le traitement comprend une neutralisation des gaz acides au bicarbonate de sodium et une réduction catalytique des NOx à l’urée, menés sur deux voies en parallèle équipées de bougies en céramique catalytique ou non. Afin de mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques mis en jeu, des tests d'absorption de SO2 par Na2CO3 à 250 °C et 300 °C ont été menés dans un réacteur de laboratoire, montrant l'influence de la température et surtout de l'humidité. Une modélisation de l'absorption de SO2 par Na2CO3 est proposée, basée sur une diminution du nombre des sites d'absorption en fonction du recouvrement de la surface
Thermal valorisation of meat and bone meal (MBM) by incineration generates combustion gases that are treated to respect atmospheric emission regulations. This thesis is about MBM and sewage sludge co-incineration in an industrial plant. Measurements have been made to determine the chemical composition of the gaseous (O2, CO2, H2O, NOx, SO2, HCl, NH3) and solid phases (C, H, O, N, S, Cl, Na, K, Ca, P, Fe, Si) in all inlets and outlets. A mass flow evaluation method is proposed and a material balance is performed. The final wastes of incineration consist of ashes and air pollution control residues (APCR), representing about 25 % of the incinerated mass. The ashes are mainly composed of calcium phosphates and the APCR are mainly Na-based salts. The efficiency of the acid gases and NOx treatment is estimated. The treatment includes sodium bicarbonate neutralisation and catalytic reduction by urea, carried out on two parallel pathways equipped with catalytic or non-catalytic ceramic filters. To complete the understanding of physico chemical reactions in the filtering cake, tests of SO2 absorption by Na2CO3, at 250 °C and 300 °C where performed in a laboratory reactor, showing the influence of temperature and particularly humidity. A modelling of the SO2 absorption by Na2CO3 is proposed, based on an absorption site number decrease with the surface recovering

L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton.
Abstract : Cement manufacturing industry is one of the carbon dioxide emitting sources. The global cement industry contributes about 7% of greenhouse gas emission to the earth’s atmosphere. In order to address environmental effects associated with cement manufacturing and constantly depleting natural resources, there is necessity to develop alternative binders to make sustainable concrete. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. The performance of a cement additive depends on kinetics hydration and synergy between additions and Portland cement. In this project, two industrial by-products are investigated as alternative supplementary cementitious materials (ASCMs), non-toxic amorphous silica residue (AmSR) and wastepaper sludge ash (WSA). AmSR is by-product of production of magnesium from Alliance Magnesium near of Asbestos and Thetford Mines Cities, and wastepaper sludge ash is by-product of combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in fluidized-bed system from Brompton mill located near Sherbrooke, Quebec, Canada. The AmSR is new industrial by-products. Recently, wastepaper sludge ash has been used as cementitious materials. Utilization of these ashes as cementitious material in concrete manufacturing leads to reduce the mechanical properties of concretes. These problems are caused by disruptive hydration products of biomass fly ash once these ashes partially blended with cement in concrete manufacturing. The pre-wetting process of WSA before concrete manufacturing reduced disruptive hydration products and consequently improved concrete mechanical properties. Approaches for investigation of WSA in this project consist on characterizing regular and pre-wetted WSA, the effect of regular and pre-wetted WSA on performance of mortar and concrete. The high content of amorphous silica in AmSR is excellent potential as cementitious material in concrete. In this project, evaluation of AmSR as cementitious materials consists of three steps. Characterizing and determining physical, chemical and mineralogical properties of AmSR. Then, effect of different rates of replacement of cement by AmSR in mortar. Finally, study of effect of AmSR as partial replacement of cement in different concrete types with binary and ternary binder combinations. This study revealed that high performance concrete (HPC) incorporating AmSR showed similar mechanical properties and durability, compared to control mixture. AmSR improved mechanical properties and durability of ordinary concrete. Self-consolidating (SCC) concrete incorporating AmSR was stable, homogenous and showed good mechanical properties and durability. AmSR had good synergy in ternary binder combination with other supplementary cementitious materials (SCMs). This study showed AmSR can be use as new cementitious materials in concrete.