Scories d'UIOM : récupération optimisée des métaux

Chaque tonne de déchets incinérés dans une usine d'incinération des ordures ménagères (UIOM) produit environ 200 kilos de résidus solides, les mâchefers. Ils sont composés en grande partie de minéraux, mais jusqu'à 20 pour cent sont des métaux précieux et facilement recyclables, ainsi que du verre. Ce n'est plus un secret : depuis 2013, le traitement des scories pour la récupération des métaux est obligatoire en Suisse. Mais séparer les métaux des mâchefers dans la meilleure qualité possible et en grande quantité est loin d'être trivial. C'est précisément l'objectif que s'est fixé l'installation de traitement des scories de ZAV Recycling AG sur le site de la Kehrichtverwertung Zürcher Oberland (KEZO) à Hinwil. Par rapport au traitement traditionnel des mâchefers extraits par voie humide, elle ne traite que les mâchefers extraits par voie sèche. Mais que signifie pour l'environnement la réintroduction dans le cycle des métaux issus des mâchefers d'UIOM ? Une étude d'écobilan de l'EPF de Zurich a examiné cette question en détail pour la première fois.

Le recyclage plutôt que la mise en décharge 

Deux mécanismes sont décisifs pour la réduction de l'impact environnemental (crédit environnemental) : d'une part, le traitement des scories veille à ce que les scories résiduelles - et mises en décharge - soient appauvries en métaux. Ainsi, à long terme, moins de métaux lourds sont lessivés de la décharge vers les eaux souterraines. Dans l'article, nous parlons à cet égard de "réduction des émissions de la décharge". D'autre part, les métaux récupérés permettent de substituer des métaux produits de manière primaire, ce que nous appelons dans l'article "substitution de métaux primaires". Comme la production primaire des métaux est généralement liée à des impacts environnementaux beaucoup plus importants, une telle substitution réduit l'impact environnemental global. Pour cela, il faut que les métaux primaires soient substitués et non d'autres métaux secondaires, ce que l'on peut supposer au vu de la situation actuelle du marché mondial (IRP 2019).

Relever les flux de matières 

L'écobilan se base sur les données relatives aux flux de matières des métaux suivants : fer, acier inoxydable, aluminium, cuivre, plomb, argent et or. D'autres métaux récupérés comme le zinc, l'étain ou le palladium n'ont pas été pris en compte en raison du manque de fiabilité des données. Il faut en être conscient : Les flux massiques de déchets qui passent par une UIOM sont hétérogènes et varient aussi bien en fonction des saisons que du temps. C'est précisément pour cette raison que des données représentatives sur les flux de matières sont élémentaires pour l'évaluation écologique. Elles ont été collectées avec une grande représentativité et un haut niveau de détail lors d'une campagne de mesure en 2017 :

• Quelles quantités de quels métaux sont récupérées et dans quelle qualité ?
• Quels métaux primaires remplacent-ils et comment doivent-ils être préparés à cet effet ?
• Quel est l'impact sur la composition des scories résiduelles ?

Si les flux de métaux sont complétés par des données d'analyse du cycle de vie, l'impact environnemental du traitement peut être évalué. Les données disponibles permettent alors d'analyser les métaux par fraction afin de quantifier la contribution des différentes fractions métalliques au crédit environnemental global. De même, la qualité des différentes fractions a pu être prise en compte en ce qui concerne l'effet de substitution. Plus la qualité de la fraction métallique séparée dans le traitement des scories est bonne, plus les pertes de métaux et les dépenses liées aux processus de recyclage ultérieurs sont faibles - donc plus le crédit écologique est important. Le potentiel écologique correspond toujours au crédit environnemental résultant de la récupération des métaux mentionnés par rapport à un scénario hypothétique sans récupération des métaux, c'est-à-dire en cas de mise en décharge directe des mâchefers. Les catégories d'impact considérées sont, outre l'effet sur le changement climatique (en CO2-eq), les effets écotoxiques et toxiques pour l'homme ainsi que la consommation de ressources.

Exploiter le potentiel 

Dans l'ensemble, la récupération des métaux à Hinwil permet d'obtenir un crédit environnemental d'environ 780 kg de CO2-eq par tonne de scories sèches. Qu'est-ce que cela signifie exactement et comment cela se compose-t-il ? Tout d'abord, par rapport à la substitution des métaux primaires, la réduction des émissions de la décharge est négligeable si l'on considère un horizon temporel des émissions de 1000 ans. Dans ce cas, la substitution des métaux primaires par les métaux récupérés contribue entre 75 et 99 pour cent au crédit environnemental total, selon la catégorie d'impact considérée. Les contributions des différentes fractions granulométriques et des métaux au crédit de substitution permettent d'y voir un peu plus clair. En termes de masse, c'est le fer, majoritairement grossier, séparé à l'aide d'un premier aimant, qui domine et représente près de la moitié des métaux récupérés. D'un point de vue écologique, le tableau est toutefois différent : malgré leur faible part en masse d'environ 15 pour cent, les fractions métalliques de granulométrie inférieure, entre 0,3 et 12 mm, jouent un rôle central sur le plan écologique et contribuent, selon la catégorie d'impact, entre 29 (changement climatique) et 64 pour cent (consommation de ressources) au crédit environnemental total de la substitution des métaux primaires (voir fig. 1). Les métaux lourds non ferreux (MNF) cuivre, plomb, argent et or sont associés à des crédits de substitution particulièrement élevés, car leur production primaire génère des impacts environnementaux particulièrement importants. C'est pourquoi il est particulièrement judicieux, d'un point de vue écologique, de récupérer ces métaux. En ce qui concerne le changement climatique, l'aluminium vient s'ajouter à la liste, car la production primaire génère dix fois plus d'émissions de gaz à effet de serre que la production secondaire. Étant donné que les métaux non ferreux sont souvent enfermés dans des scories frittées et que leur granulométrie est inférieure à 12 mm, les scories doivent être réduites à de très petites granulométries pour pouvoir exploiter ce potentiel. Si l'on ne récupérait que le fer, on perdrait donc entre 73 (changement climatique) et 93 pour cent (consommation de ressources) du potentiel écologique. (voir fig. 1)

Où se situe la limite ?

Lors de la campagne de mesure, les fractions de scories résiduelles ont également été échantillonnées. Celle-ci contient, outre les minéraux, les métaux dits résiduels qui n'ont pas été éliminés par le traitement. Des métaux qui deviennent potentiellement récupérables en cas d'amélioration du procédé. Et c'est l'objectif des exploitants : "Une augmentation de 20 pour cent du rendement des matières recyclables des métaux importants pour le climat devrait pouvoir être atteinte", explique Daniel Böni, directeur de la KEZO et de la fondation ZAR. Sur la base des données, les métaux résiduels peuvent être distingués en métaux résiduels libres et en métaux résiduels entourés de scories frittées. Conformément à cette classification, les limites théoriques de la récupération des métaux à Hinwil ont en outre été étudiées en deux étapes :

• (i) le potentiel maximal avec la configuration actuelle de l'installation, en récupérant tous les métaux résiduels libres supplémentaires
• (ii) un potentiel métallique résiduel total grâce à une décomposition complète des scories et à une exposition totale de tous les métaux

Les besoins énergétiques supplémentaires de l'installation de traitement n'ont pas été évalués pour ces cas, mais les potentiels donnent tout de même un aperçu clair du potentiel écologique encore caché. Concrètement, la récupération supplémentaire de tous les métaux résiduels libres augmenterait le crédit écologique de 10 (changement climatique) à 44 pour cent (consommation de ressources), et même théoriquement de 24 à 89 pour cent en cas de dégagement complet. Cela s'explique notamment par la présence accrue de métaux non ferreux à grain fin dans les scories résiduelles. On peut donc partir du principe qu'une augmentation de quelques points de pourcentage du rendement massique contient un potentiel écologique nettement plus important.

Une réduction considérable des émissions de gaz à effet de serre 

Le fait qu'une récupération optimisée des métaux dans les mâchefers apporte une plus-value écologique considérable se manifeste également dans le contexte du bilan environnemental global d'une UIOM : le traitement des mâchefers et la récupération des métaux permettent d'économiser au total environ 140 kg de CO2-eq par tonne de déchets urbains valorisés thermiquement, ce qui représente presque deux tiers du crédit obtenu par la récupération totale d'énergie issue de l'incinération. Si toutes les mâchefers produites chaque année en Suisse étaient traitées avec le même taux de récupération des métaux que dans l'installation étudiée, cela permettrait d'économiser au total près de 560 kilotonnes de CO2-eq par an. A titre de comparaison, cela correspond environ aux émissions annuelles de gaz à effet de serre de la population de Thoune (42 600 habitants), émissions grises comprises. Les économies supplémentaires par rapport à la
des installations de traitement conventionnel des mâchefers humides n'ont pas pu être calculés jusqu'à présent, car il n'existe pas de données représentatives sur les flux de matières des métaux de ces installations.

Aujourd'hui déjà, la réalité de l'entreprise de Hinwil se situe quelque part entre les résultats de l'étude et l'objectif à long terme de plus 20 pour cent. La devise est claire : même les métaux qui ne sont pas collectés séparément et qui atterrissent dans l'UIOM avec les ordures ménagères doivent être récupérés de la manière la plus efficace et la plus qualitative possible. Les exploitants de l'installation de traitement d'Hinwil sont donc loin d'être satisfaits et estiment qu'il est possible d'optimiser encore le procédé de recyclage thermique. Les données sont du côté des exploitants : d'un point de vue écologique, l'exploitation est une histoire à succès. ■

Références
Publication : Mehr J., Haupt M., Skutan S., Morf L., Adrianto L.R., Weibel G., Hellweg S. (2020). The environmental performance of enhanced metal recovery from dry municipal solid waste incineration bottom ash. Waste Management, 119, 330-341. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.09.001

Autres sources :
IRP 2019, Global Resources Outlook 2019 : Natural Resources for the Future We Want. Un rapport du Groupe d'experts international sur les ressources. Programme des Nations Unies pour l'environnement. Nairobi, Kenya.