Propriétés physiques et comportement du radon dans les briques à base des boues d’épuration

Dans le but d’une valorisation durable de ces boues, le présent travail se propose d’étudier la possibilité de substituer partiellement une parte des constituants conventionnels nécessaires dans la fabrication des briques, par la boue d’épuration. Différentes briques ont été fabriquées en incorporant des taux variés de boue en poids sec, ainsi qu’une brique de référence qui comprend uniquement les matières premières conventionnelles. Afin d’évaluer leur aptitude en tant que matériaux de construction d’ingénierie, les spécimens des briques ont été soumis à une série d’expériences d’essais comme la résistance mécanique et les propriétés radiologiques. Les résistances à la compression se sont avérées très intéressantes. L’évaluation radiologique des briques de boue permet de garantir leur sécurité puisqu’elles sont largement inférieures aux limites requises (moins de 10 mS.y-1 ). 

INTRODUCTION 

Une étude récente a estimé que le secteur industriel au Maroc génère annuellement plus de 1,6 millions de tonnes de déchets solides dangereux. Un volume potentiel de ces résidus nocifs provient principalement des centrales thermiques au charbon. L’une des plus grandes centrales électriques du pays est la centrale thermique de TAQA Maroc, qui a une capacité de 2.056 MW, fournissant, en retour, une forte consommation de charbon. En conséquence, une quantité considérable de déchets solides non utilisés, sont produits à savoir les cendres volantes et les cendres de foyers [1-9]. De même, les scories qui sont des déchets solides provenant de la fusion des métaux, ont été exploitées comme adsorbants dans le traitement des eaux usées. Un grand problème environnemental a été résolu: La purification des eaux usées par ces déchets solides : les cendres volantes, les mâchefers et les scories. Pour choisir la méthode d’élimination la plus appropriée de ces boues relativement élevée à grande échelle, de nombreux paramètres doivent être pris en compte: la structure de la boue, sa composition chimique, la sécurité environnementale et le coût de la valorisation des boues. Dans le présent travail, l’effet de l’utilisation des boues d’épuration dans la fabrication des briques en béton a été minutieusement examiné. L’étude s’investit dans les avantages et les inconvénients physiques des briques, par rapport aux indicateurs communs de construction d’ingénierie: la résistance mécanique, et l’évaluation environnementale a été rigoureusement bien étudiée. L’objet de cette section est d’évaluer le risque radiologique des briques contenant les boues. La mesure de la concentration en radionucléides a été évaluée en estimant la concentration de l’activité du radon. Le radon222 (Rn222), qui est considéré avec précision comme la principale source d’exposition humaine aux rayonnements. L’activité du radon est un indice clé pour contrôler l’exhalaison radiologique des briques de boue. Cette étude a également pour but de vérifier et mesurer la dose de radon absorbée. MATÉRIAUX ET MÉTHODES La boue d’épuration à été récupérée après traitement des eaux usées industrielles par la technique de filtration percolation, par une matrice constituée des adsorbants : les cendres volantes, les mâchefers, les scories et le sable (figure 1). Les deux cendres proviennent de la centrale thermique de Taqa Maroc, le sable a été extrait de la plage de Moulay Abdellah, El Jadida, Maroc et les scories d’une industrie métallique de la région. Les échantillons de boue ont été séchés à la lumière du soleil pour réduire l’odeur intense, puis dans un four pendant deux heures, afin de diminuer la quantité de matières organiques. Expériences appliquées aux matériaux L’analyse de la teneur en oxydes des matières premières a été réalisée par la technique de fluorescence X (XRF). La préparation des échantillons consiste à faire fondre 0,5 g du matériau avec 5 g de fondants de borates de lithium préfondus, avec huit gouttes d’iodure de lithium. Le lot supportant les échantillons est resté dans un four à 965°C pendant 10 min, avant d’être retiré. Chaque échantillon a finalement été soumis à la spectrométrie XRF (Panalytical série 0Y1241). La spectroscopie d’émission (ICP-AES) a été effectué afin d’avoir une idée très précise de la concentration des métaux lourds (éléments traces). Le test de lixiviation a été réalisé en utilisant la norme néerlandaise NEN 7345 (NEN 7345, NSI 1993). Chaque échantillon a été immergé dans un récipient fermé rempli d’eau acidifiée; le rapport liquide était de cinq fois le volume des échantillons Distribution de la taille des particules La distribution granulométrique des matières premières a été déterminée en utilisant une machine électrique vibrante à tamis (figure 2). Un volume de 100 g de l’échantillon a été introduit dans la machine. La taille des tamis s’échelonnait comme suit (μm): 75, 100, 125, 160, 200. Après 30 min, la masse restante sur chaque plateau de tamisage a été pesée. Le tableau 1 résume les résultats de l’analyse par tamisage. La boue d’épuration entre dans la catégorie des sables fins. Sa fraction particulaire dépend principalement du processus de traitement des eaux usées, et la taille prédominante se situe entre 100 et 160 μ. Le tableau 2, résume les résultats obtenus par fluorescence x. La boue d’épuration contient une quantité importante de silice (46,96%) et d’alumine (23,53%). La quantité d’oxyde de calcium (CaO) dans la boue d’épuration est relativement élevée, ce qui est susceptible d’améliorer les propriétés pouzzolaniques et de liaison. De plus, selon Aydin [3], ce degré de CaO peut augmenter la porosité des échantillons des briques en raison de la formation de gaz pendant le processus de cuisson. La présence majeure de silice dans notre échantillon empêche les briques de se fissurer pendant le processus de cuisson, et permet la mise en forme des briques [30] Le taux d’oxyde de fer dans la boue situant entre 8% et 10% est considéré comme optimal pour augmenter la durabilité des briques [10-18]. L’oxyde d’aluminium est considéré comme optimal pour augmenter la durabilité des briques. Le sable présent dans la boue est constitué d’un pourcentage important de silice (31,69%). Il est appelé matériau réfractaire; il pourrait donc être utilisé correctement comme matériau résistant à la chaleur.

Le tableau 3, donne les résultats obtenus par la spectroscopie d’émission atomique à couplage inductif (ICP-AES), exprimés en (mg/L). La concentration des métaux lourds est un indicateur essentiel dans l’évaluation de la qualité environnementale des matériaux. Le zinc (Zn) et le chrome (Cr) sont les constituants prédominants dans la boue d’épuration Nous constatons que toutes les valeurs sont bien inférieures aux limites dangereuses (tableau 3). Preparation des échantillons de briques Le tableau 4, résume les rapports de mélange des matières premières. Cinq types de briques ont été réalisés (figure 3). La brique de référence B0, ne contient que les matières premières conventionnelles. La quantité de boue d’épuration a été ajustée pour chaque échantillon. Pour chaque mélange, l’eau a été systématiquement ajoutée de 20% à 30% pour obtenir la plasticité adéquate et transformer le mélange en pâte. Les mélanges de pâte ont été soumis à une pression de moulage dans des moules prismatiques de 6 × 6 × 10 cm. La taille typique du moule a été choisie en tenant compte de la taille du dispositif requise par la norme de la brique solide standard. Les briques ont été séchées à l’air ambiant. Resistances mécaniques Dans cette section, les essais ont été réalisés selon la norme européenne adoptée au Maroc [1-2]. Considéré comme la donnée la plus importante dans cette étude, l’indicateur de test de résistance met en évidence la résistance des briques pour résister à la déformation sous les processus mécaniques. L’essai de résistance à la compression a été réalisé en plaçant la brique entre les plaques de la machine d’essai. En tenant compte de la résistance prévue des éprouvettes, une contrainte axiale a été appliquée systématiquement, avec une vitesse de 0,05 (N/mm2/s), jusqu’à la rupture de l’éprouvette (figure 4). La résistance à la flexion est un autre module de de rupture pour s’assurer que les briques peuvent être utilisées dans des situations spécifiques. En fait, la norme marocaine n’exige pas ce test pour approuver la qualité des briques, bien qu’il ait été utilisé dans notre expérience comme un test de performance supplémentaire. Les valeurs des résistances à la compression et de rupture des différentes briques à base de boue de filtration sont illustrées dans la figure 5. Nous remarquons une augmentation très significative de la résistance à la compression des briques étudiées du fait de la présence des scories dans la boue. La résistance à la compression passe de 54,30 MPa pour une brique normale de référence, avec 0% de boue à 140,05 MPa. De même la contrainte rupture passe de 181 MPa à 466,83 MPa. Les résultats obtenus sont très positifs d’où l’idée de valorisation des déchets solides des centrales thermiques à savoir les cendres et les résidus solides de la fusion des métaux à savoir les scories dans la purification des effluents liquides industriels et la revalorisation des boues récupérées dans la réalisation des briques écologiques est primordiale pour des utilisations multiples. Evaluation radiologique: Activité du radon La boue d’épuration, comme mentionné précédemment, contient des résidus résultant du processus d’infiltration/ percolation, à savoir des déchets de charbon (cendres volantes, cendres résiduelles). Le charbon est naturellement radioactif; par conséquent, une évaluation du risque radiologique de tous les échantillons est nécessaire. L’exposition radioactive se divise en exposition interne et externe. Le rayonnement externe est souvent dû au rayonnement gamma exhalé provenant de différents radionucléides de désintégrations radioactives des chaînes : uranium 238 (U-238), uranium235 (U-235), thorium 232 (Th-232) et potassium 40 (K-40), alors que l’exposition interne est due à l’inhalation de Rn222. 

La dose effective absorbé du radon Il est indispensable d’estimer la dose efficace annuelle moyenne que les hommes peuvent absorber. L’impact radiologique de l’inhalation de 222Rn à partir de matériaux de construction, qui dépend fortement des descendants à courte durée de vie du radon 222Rn. Ainsi, selon l’UNSCEAR (Comité scientifique des Nations Unies sur les effets des rayonnements atomiques) [33-34], la dose efficace annuelle moyenne E exprimée en (mSv.an-1), est calculée à l’aide du modèle suivant Les valeurs du modèle sont suggérées par le Comité scientifique des Nations Unies pour étudier les effets du rayonnement atomique (UNSCEAR 2006): H est le facteur d’occupation ((0,8 à l’intérieur et 0,2 à l’extérieur). F est le facteur d’équilibre entre le 222Rn et ses descendants (0,4 dans l’air intérieur et 0,6 à l’extérieur). D est le facteur de conversion de la dose (9,0 nSv.h- 1 par Bq.m-3) T est sur les heures pendant un an (8760 hy-1). Les différents essais d’identification ont été menés, que ça soit pour la valorisation des déchets à charbon dans le traitement des eaux usées ou pour l’utilisation de la boue d’épuration dans les matériaux de construction, En effet, la connaissance des caractéristiques de la matière première permet de bien comprendre leur comportement vis-à-vis le procédé visé. Les propriétés des matériaux de construction permettent de juger la performance d’incorporer la boue d’épuration dans les briques. Les propriétés radioactives dans les déchets valorisés Evidemment, après l’utilisation des cendres volantes et les cendres de foyer dans le traitement des eaux usées, la boue d’épuration contiendrait des radionucléides. On peut en déduire que la concentration d’activité de radon est plus élevée dans les cendres de fond que dans les cendres volantes, cette différence pourrait être liée à la texture fine des cendres volantes et aux petits trous qui empêchent la fuite de radon. En effet le charbon, est naturellement riche en radionucléides, cependant ces coproduits notamment les cendres volantes et les mâchefers présentant une radioactivité naturelle technologiquement renforcée. On remarque dans le tableau 5, que la boue d’épuration possède une activité radioactive élevée (368.34 Bq/m3), plusieurs explications peuvent être impliqué là-dessus, premièrement, la boue est constitué d’un mélange de résidus du procédé filtration, cendres volantes, mâchefers, les résiduels d’eau usées D’autre part, le traitement des eaux usées, génère en particulier des déchets (boue), qui peuvent être plus ou moins radioactive, selon le type et les origines des effluents. Autre explication, est conçue par porosité qui pourrait augmenter le taux d’émanation du rayonnement. L’activité du radon des déchets évaluées dans la présente étude est en correspondance avec d’autres études similaires au Maroc, et d’autant moins radioactif par rapport à autres déchets à charbon et des boues d’épuration évaluées ailleurs. Le taux d’exhalation de surface dans les échantillons est insignifiant par rapport à la limite moyenne mondial (57600 mBq ∙ m-2 ∙ h-1).[31-32] L’évaluation de la concentration d’activité dans les échantillons de briques modélisés dans le tableau 6 montre que l’augmentation de la quantité de boue implique une concentration d’activité plus élevée. L’échantillon B5 affiche une concentration d’activité insignifiante plutôt que les autres échantillons, il est presque similaire à la brique d’origine B0. Cette constatation est en corrélation avec les résultats d’absorption, qui sont inversement proportionnels à l’activité du radon, car la diffusion du radon est davantage fournie dans les matériaux poreux. Les résultats de l’expiration de surface et de masse sont également donnés dans le tableau 6, les briques produites présentent une expiration de surface et de masse inférieure par rapport aux boues d’épuration. Dans les spécimens de briques, l’expiration de surface se situe entre 84,80 mBq.m-2.h-1 et 242,44 mBq.m-2.h-1. Quant à l’expiration de masse est comprise entre 4,79 mBq. Kg-1.h-1 et 13,70 mBq.Kg-1.h-1. Le taux d’expiration augmente simultanément avec l’augmentation des boues. Cela est principalement dû à la porosité du matériau et à la taille des grains des matières premières qui affectent considérablement l’émanation du radon [6]232Th, and 40K concentrations in the building materials of the study area were found to vary from below detection limit (BDL. De plus, l’expiration de surface dans tous les échantillons était bien en deçà des besoins mondiaux (57600 mBq∙m-2.h-1) [33-34]. Estimation de la dose effective absorbée La figure 7 illustre les résultats de doses efficaces de radon que les hommes peuvent absorber chaque année. Il est montré que les doses varient entre 2,7 mSv.y-1 et 9,29 mSv.y-1 avec une valeur moyenne de 6,28 mSv.y-1. Cependant, les résultats restent très satisfaisants et sûrs, puisque tous les échantillons sont au-dessus de la limite autorisée, qui est un accord universellement nucléaire, il est compromis en 10 mSv.y-1[6-34]. En outre, on pourrait supposer que la dose absorbée sera en réalité inférieure aux résultats théoriques, en raison de l’effet de l’aération qui réduira évidemment les doses estimées, comme indiqué précédemment. 

CONCLUSION 

Le Maroc a déployé des efforts potentiels pour soutenir son évolution économique et sociale et faire face à l’accroissement démographique, cependant cette poursuite nécessite une maitrise de la mobilisation compte tenue des ressources disponibles du pays, et faire face aux enjeux environnementaux, qui persistent en parallèle. En particulier, la gestion des déchets solide et liquide. Les déchets industriels solides, les eaux usées et les boues d’épuration deviennent de plus en plus accentué, d’autant plus que les projets réalisés au Maroc, d’où La nécessité des interventions intégrales pour une préservation majeur environnemental. Les possibilités de valorisation ont été également développées à travers plusieurs études et à l’état de recherche. Le secteur de construction contribue déjà à valoriser de nombreux sous-produits, dont l’exploitation de certains en tant que constituants est normalisé et commence à prendre un échelle industriel élargi. Autant que l’industrie cimentière a adopté la valorisation de certains déchets solides, l’incorporation des déchets dans la construction est toujours restreinte, en particulier, les déchets issus de traitement des eaux usées «la boue d’épuration». La génération de ce sous-produit se multiple de plus en plus avec l’adoption des systèmes de traitement des eaux usées. La documentation bibliographique de la gestion de ce déchet prouve que son utilisation en matériaux de construction est limitée. Cela est lié à plusieurs facteurs, à savoir la complexité et la toxicité de ce déchet et son impact environnemental et surtout son effet sur les propriétés physique et mécanique des constructions. La ville d’El Jadida, qui est une ville industrielle par excellence, affronte 2 problèmes majeurs de ce sens, Les eaux usées et les déchets industriel à charbon. Dans ce sens, nous avons développé au laboratoire un système de filtrations/ percolations en valorisant les cendre à charbon pour compléter le traitement des eaux. Le choix de cette technique repose premièrement sur son efficacité et son rendement en termes de purification approuvé par plusieurs chercheurs dont notre laboratoire est témoin et en deuxième lieu, son applicabilité à grande échelle. Néanmoins, comme tout procédé, le coté indésirable est toujours omniprésent, il s’agit de la boue d’épuration, qui persiste toujours dans le traitement des eaux usées, et que représente un autre type de déchets solide complexe. Puisque la perspective globale est de réaliser un projet visant à purifier les eaux par le procédé d’infiltration percolation, la quantité de boue générée sera non négligeable, par conséquent, un mode de recyclage ou de valorisation s’impose. En se référant à la documentation bibliographique, les boues qui contiennent des propriétés pouzzolaniques pouvait être inclus dans la construction. La possibilité d’incorporer la boue d’épuration, résidente du procédé d’infiltration/percolation cité auparavant dans différents types de matériaux de construction, le premier scenario concerne l’utilisation de la boue d’épuration comme étant additif du ciment portland composé, Une substitution partielle des matières conventionnels du ciment portland composé par la boue fut objet de fabrication. Dans l’autre scénario, l’introduction de la boue de filtration dans la fabrication des briques en variant les ratios a donné des résultats plus que satisfaisante surtout l’introduction des scories qui sont des déchets solides provenant de la fusion des métaux des industries métalliques. Les résistances mécaniques à la compression et aux ruptures sont très importantes et l’évaluation radiologique est plus que satisfaisante donnant ainsi un produit très environnemental fortement conseillé dans le domaine de construction particulièrement dans la réalisation des chaussées. Nous avons appelé ce produit écologique des pavés autobloquant vu sa solidité et sa duraFigure bilité et sa non contamination.