Incinération

L'Incinération est une des techniques de traitement les plus anciennes. Son principe repose sur une combustion aérobie (en présence d’air) dans un four où les températures sont importantes (870 à 1 200 °C). Ces hautes températures détruisent les polluants ou les volatilisent.

La combustion aérobie permet de détruire les polluants organiques en vapeur d’eau, gaz carbonique et résidus de combustion (cendres). Les métaux ne sont pas détruits et se retrouvent soit dans les effluents gazeux soit dans la fraction solide (cendres). Les métaux présents dans la fraction gazeuse peuvent faire l’objet d’une oxydation et d’une récupération spécifique.

Généralement, l’Incinération se décompose en deux phases :

• une première chambre dans laquelle les polluants organiques sont désorbés et volatilisés (température > 400°C),
• une seconde chambre de combustion dans laquelle les polluants organiques sont détruits (température > 1 000°C).

Préalablement à l’Incinération, les sols sont prétraités (tamisage, séchage …) ; seules les particules de quelques centimètres sont acceptées dans le four.

Les composés gazeux et particulaires sont entraînés par un flux d’air et sont récupérés en vue d’un traitement. Le chlore, l’azote et le souffre (présents sous forme de HCl, NO_x, et SO_x) sont éliminés des rejets atmosphériques le plus souvent par neutralisation en solution alcaline.

Le système d’incinération est constitué :

• des unités de prétraitement :
  • unité de broyage ou de ségrégation,
  • unité de séchage,
  • unité d’émottage,
  • unité de mélange (avec des additifs de type chaux, gypse …),
  • unité d’homogénéisation,
  • un four d’incinération,
  • du matériel relatif à la création de flux et à l’ajustement des paramètres thermiques.
• des unités de traitement des gaz :
  • chambre de post combustion, brûleur, oxydation catalytique,
  • échangeur thermique,
  • dépoussiéreurs à filtres, dépoussiéreurs humides ou dépoussiéreurs électrostatiques,
  • condenseur, adsorption sur charbon actif,
  • unité de neutralisation des gaz (voie humide principalement ou semi-sèche),
  • unité spécifique pour la récupération des métaux si nécessaire (condensation …),
  • un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.

Les paramètres à suivre lors d’une opération d’Incinération sont les suivants :

• concentrations en polluants dans les sols, teneurs en matière organique, granulométrie,
• température dans le four et en sortie, turbulence, temps de séjour, teneur en oxygène, ratio air/combustible, consommation de combustible (débit et pression) ou énergétique,
• dépression au niveau du four et flux aérauliques associés,
• concentrations en polluants dans les rejets atmosphériques (respect des normes de rejets, traitement des cendres),
• paramètres relatifs au traitement des gaz (débits, dépression, perte de charge, saturation ….),
• teneurs en polluants en fin de traitement.

Le chauffage dans le four d’une unité de désorption peut être réalisé de manière directe ou se faire de manière indirecte.

Il existe différents types de fours, les principaux sont les suivants :

• les fours rotatifs : les fours sont cylindriques, creux et légèrement inclinés ; leur rotation permet de mélanger les sols et de les faire avancer à travers le four,
• les fours à grilles : les grilles peuvent être de plusieurs types : translation, sans fin, à basculement, à barreaux ; elles permettent l’avancement et le brassage des sols,
• les fours à lit fluidisé : un cylindre vertical fermé contient dans sa partie basale un lit inerte chaud (silice) maintenu en suspension par un courant d’air ascendant ; les sols sont introduits au sein de ce lit et sont brassés,
• les fours infrarouges : l’énergie à l’inverse des autres types d’incinérateur est apportée par des radiations infrarouges.

Le traitement des rejets atmosphériques est très variable ; l’enchaînement des différentes unités de dépoussiérage, d’oxydation ou d’adsorption, de neutralisation est très variable.

L’Incinération est utilisée pour de nombreux polluants organiques (volatils, semi-volatils voire peu volatils) à des teneurs très concentrées (de l’ordre de plusieurs pourcents parfois), hydrocarbures pétroliers (essences, gasoils, kérosènes ….), fractions plus lourdes d’hydrocarbures, solvants chlorés, huiles, PCB, pesticides, dioxines/furanes, HAP, composés explosifs.

Exception faite des composés radioactifs, l’intégralité des polluants peut être traitée par Incinération.

Le temps de séjour, la turbulence et la température sont adaptés en fonction des concentrations initiales en polluants (et du Pouvoir Calorifique Inférieur) et des propriétés des sols (teneurs en matière organique, teneur en eau).

Faisabilité

La faisabilité d’un traitement est évaluée à l’aide d'essais :

• d’orientation qui visent à valider la possibilité de mettre en œuvre une technique de dépollution ;
• d’évaluation des performances qui servent à vérifier l’atteinte des objectifs et permettent d'estimer la vitesse du traitement donc sa durée.

Le guide méthodologique « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) vous donnera des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

Dimensionnement

Le dimensionnement relève d’un travail d’ingénierie en aval des essais de faisabilité.

Les principales données à prendre en compte sont :

• le temps de séjour, la température et la turbulence dans l’unité de traitement,
• les concentrations finales à obtenir,
• l’efficacité du transfert thermique du four,
• les données nécessaires au prétraitement (broyage, préséchage, émottage, mélange de la chaux, du gypse …),
• les données nécessaires au traitement des rejets atmosphériques (taux de poussières, teneurs en composés volatils, teneurs résiduelles à obtenir en rejet).

L’Union des Professionnels de la Dépollution des Sites (UPDS) a déterminé les paramètres à fournir pour permettre le dimensionnement des traitements :

a. Définition du projet

• Délais,
• Objectifs de traitement (sols et/ou eaux et/ou gaz du sol),
• Seuils de dépollution ou profondeur/volume d'excavation.

b. Sol ou matériau à traiter

• Géologie/lithologie ou nature des sols,
• Taux de matières organiques,
• Granulométrie,
• Humidité.

c. Polluants

• Type (nature),
• Concentrations (cartographies de pollution dans les sols, l'eau, les gaz du sol),
• Présence de produit pur (flottant, coulant, piégé…),
• Estimation du stock,
• Températures de fusion,
• Tensions de vapeur,
• PCI associés.

L'Incinération présente les avantages suivants :

• technique permettant de détruire les polluants,
• technique éprouvée ayant démontré une grande fiabilité et des résultats extrêmement significatifs,
• technique permettant de traiter de nombreux polluants notamment les composés semi-volatils et peu volatils,
• technique permettant de traiter les sols très fortement pollués ; les teneurs en composés organiques peuvent être de l’ordre de plusieurs pourcents,
• technique permettant de traiter certains métaux "volatilisables" comme le zinc, le cadmium, le plomb...,
• technique efficace même pour des sols argileux et hétérogènes,
• technique permettant d’atteindre des taux de dépollution très importants,
• technique rapide,
• technique moins onéreuse que les autres traitements thermiques,
• traitement sur site possible grâce à des unités mobiles.

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

• procédé nécessitant l’Excavation des sols,
• technique très énergivore,
• une des techniques les plus onéreuses du marché,
• traitement sur site nécessitant une surface importante,
• très haut niveau de technicité nécessaire,
• il est primordial d’atteindre de très hautes températures afin de ne pas dégager une partie des polluants dans l’atmosphère (ou leurs métabolites comme les dioxines et les furanes par exemple),
• procédé utilisé en traitement hors site nécessitant un transport coûteux,
• préalablement à l’installation d’une unité sur site, il faut monter un dossier d’autorisation d’exploiter,
• traitement poussé et coûteux des rejets atmosphériques,
• les gaz doivent la plupart du temps être refroidis afin de protéger les unités de traitement en aval,
• les débouchés de cendres très fortement contaminées notamment en métaux/métalloïdes doivent être considérés dès le départ du projet car ils peuvent poser des problèmes non négligeables ; la plupart du temps, ces cendres sont éliminées en centre de stockage de déchets ultimes,
• les métaux volatils (comprenant notamment le plomb, le cadmium, le mercure, l’arsenic) quittent l’unité de combustion et sont entraînés dans les rejets atmosphériques ; ce qui nécessite des unités de traitement spécifique (condenseurs...),
• certains métaux forment temporairement des composés toxiques notamment avec les atomes de chlore et de souffre et doivent être traités au niveau de la neutralisation,
• l’hétérogénéité et le taux de matière organique des sols peuvent impacter notablement les rendements épuratoires,
• les températures réellement atteintes au cœur de la pollution influent le rendement opératoire,
• les composés organiques peu volatils peuvent être volatilisés et donc extraits du sol en phase gazeuse à condition que leur tension de vapeur ait augmenté de manière significative,
• les coûts de production de température (coûts d’exploitation) sont souvent importants et sont souvent un frein à l’application de ce procédé, notamment ceux générés par la vaporisation de l’eau,
• les composés peu volatils nécessitent des températures élevées et donc des coûts de fonctionnement en conséquence,
• les particules d’une taille supérieure à quelques centimètres ne sont pas admises : il faudra soit procéder à une ségrégation soit à un broyage,
• les sols présentant un taux d’humidité supérieur à 20% doivent faire l’objet d’un prétraitement par chauffage,
• les sols compacts doivent faire l’objet d’un émottage,
• des mélanges sont parfois nécessaires afin de faciliter le traitement des sols (ajout de chaux, de gypse, de sols plus friables…),
• les sols à fortes teneurs en argile et en matières organiques sont plus difficiles à traiter,
• la présence de molécules de chlore et de souffre nécessite des unités de neutralisation (par voie humide le plus souvent),
• les teneurs élevées en azote organique peuvent également nécessiter un traitement supplémentaire des rejets atmosphériques (du fait de la formation possible de NO_x),
• les teneurs élevées en métaux génèrent des problèmes de rejets atmosphériques et d’élimination des cendres,
• émission de CO₂ importante liée au processus d’incinération.

Coûts

Incinération

En 2009, il est admis que les coûts de traitement en centres fixes étaient de l’ordre de 190 à 305 €/t et pouvaient atteindre 1 050 €/t pour des polluants spécifiques (hors coûts de transport) (estimation). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 250 €/t, la moyenne haute de 450 €/t et le maximum de 800 €/t de sols traités après Excavation  (hors excavation, tri des terres (avant traitement), transport interne et consommation électrique). 

Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du retour d'expérience des acteurs du domaine des Sites et Sols Pollués et pourront varier plus ou moins significativement d'un site à l'autre, notamment en fonction des polluants, des bilans massiques, de la complexité à atteindre la pollution et à intervenir sur le site. S'ils peuvent permettre d'obtenir une fourchette de prix avant la réalisation d'un projet, un budget réaliste ne pourra être obtenu qu'en faisant appel à un professionnel du domaine des Sites et Sols Pollués.

L’Incinération est la méthode la plus coûteuse notamment en raison des frais dédiés à l’énergie nécessaires au fonctionnement d’une telle installation, des coûts de traitement des rejets gazeux et des coûts de l’exutoire final des terres brûlées (prix de la mise en décharge généralement inclus).

Pour des chantiers de tailles conséquentes, les coûts de traitement sur site peuvent être moindres. En cas de présence de certains polluants (comme les métaux ou les mélanges de polluants), les coûts peuvent être relativement élevés (les incinérateurs étant eux-mêmes soumis à des contraintes strictes, notamment sur les rejets de dioxines), ce qui peut expliquer la valeur haute de la fourchette de prix.

Évolution 2009/2019 :

Entre 2009 et 2019, si la moyenne basse estimée est restée stable, la moyenne haute a augmenté de près de 50% (de 305 à 450 €/t). En revanche, le maximum a diminué d'environ 24% (de 1050 €/t à 800 €/t).

Répartition des coûts :

Le coût total a été réparti selon deux types de charges :

• Charges récurrentes correspondant au coût de la phase « chantier » à renouveler au cours du traitement (matériel, main d’œuvre, réactifs ou produits) et pour l'élimination des déchets,
• Charges liées aux études (hors études de risques sanitaires préalables au chantier) et au suivi de la dépollution correspondant aux coûts des analyses et prestations intellectuelles (rédaction de rapports, réunions sur site).

Les filières hors site se caractérisent par l’absence de coûts directement liés à l’investissement. En effet, les investissements initiaux de l’installation se répercutent indirectement dans les charges récurrentes qui intègrent l’amortissement des installations pour l’opérateur de traitement.

Les charges liées à la consommation énergétique sont très importantes. Cette technique engendre également des coûts de maintenance élevés.

Le suivi environnemental est important, notamment pour le traitement des fumées, mais sa part dans la répartition des charges est réduite. L’envoi des terres en filière autorisée peut engendrer des coûts supplémentaires.

Cimenterie

En 2009, il est admis que les coûts d’élimination en cimenterie (possible dans certains cas très stricts) variaient entre 40 et 75 €/t (estimation).

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 45 €/t, la moyenne haute de 55 €/t et le maximum de 75 €/t de sols traités après Excavation (hors excavation, tri des terres (avant traitement), transport interne et consommation électrique). 

Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du retour d'expérience des acteurs du domaine des Sites et Sols Pollués et pourront varier plus ou moins significativement d'un site à l'autre, notamment en fonction des polluants, des bilans massiques, de la complexité à atteindre la pollution et à intervenir sur le site. S'ils peuvent permettre d'obtenir une fourchette de prix avant la réalisation d'un projet, un budget réaliste ne pourra être obtenu qu'en faisant appel à un professionnel du domaine des Sites et Sols Pollués.

Le coût du traitement en cimenterie est moindre dans la mesure où les terres viennent en apport dans un procédé existant. La valorisation ne nécessite donc pas le même niveau d’investissement initial.

Évolution 2009/2019 :

Entre 2009 et 2019, les coûts moyens des cimenteries sont restés globalement stables. (BRGM, 2010)

Répartition des coûts :

Le coût total a été réparti selon les deux types de charges définies ci-dessus.

L’utilisation de déchets à base minérale dont les terres polluées permet aux cimenteries d’économiser les ressources naturelles issues de carrières.

L’injection de déchets, tels les terres polluées nécessite un suivi analytique spécifique et précis réclamant des procédures adaptées en amont, notamment dans la préparation et l’identification des flux. Cette mise en place n’est possible que pour des flux significatifs. De plus, le dosage des flux doit être adapté et défini précisément pour ne pas avoir d’impact sur la qualité du clinker produit.

Délais

La mise en œuvre est rapide et compatible avec une valorisation immobilière immédiate.

Les durées de traitement dans l’unité de désorption ne durent que quelques minutes à quelques dizaines de minutes. Les unités de traitement modernes sont capables de traiter plusieurs dizaines de tonnes par heure.

Maturité

L’Incinération est exploitée commercialement depuis de nombreuses années. Constamment développée, elle est aujourd’hui adaptée à une très grande variété de polluants et est très souvent utilisée pour des polluants présents à des concentrations importantes.

Il existe de nombreuses unités d’incinération fixes en France. Plusieurs unités d’incinération semi mobiles sont aussi disponibles pour des traitements sur site dans le cas de gros chantiers. Certains cimentiers acceptent dans certaines conditions des sols pollués présentant un Pouvoir Calorifique Inférieur important afin de les incorporer dans la préparation de combustibles de substitution (valorisation énergétique en four cimentier).

Efficacité

Les rendements épuratoires sont les plus élevés (plus de 99,99% pour les hydrocarbures pétroliers) et les concentrations finales en polluants sont négligeables pour les composés organiques.

Ces rendements dépendent des conditions d’exploitation, des concentrations en polluants et des propriétés des sols (hétérogénéité du milieu, présence de matière organique et présence de polluants très peu volatils).

En 2012, les traitements de nature thermique ont été relativement peu utilisés avec un taux d'un peu plus de 5% : ces traitements sont en général le dernier recours pour des polluants peu volatils difficilement traitables par les autres techniques. Ce sont des traitements rapides lorsqu’ils sont réalisés sur site ou hors site mais très coûteux. Ils ont par ailleurs un impact non négligeable sur la qualité des sols après traitement.

Très peu de terres polluées sont envoyées en installation d’incinération (0,2% des terres traitées hors site et 0,1% du total des terres traitées en 2012), les contraintes en termes de pollution étant très restrictives et le coût moyen bien plus élevé que pour les autres filières.

L’envoi des terres en cimenterie a été favorisé par rapport à l’Incinération : la cimenterie représente 0,9% des terres traitées hors site et 0,3% du total des terres traitées.

Évolution 2010/2012 :

Les volumes traités en installation de traitement thermique hors site ont diminué de 60%.

(ADEME, 2012) (ADEME, 2015)

Bibliographie

ADEME (2009)
Traitabilité des sols pollués - Guide méthodologique pour la sélection des techniques et l'évaluation de leurs performances. Guide méthodologique. Version 0 - 15 octobre 2009, 123 p.
https://ssp-infoterre.brgm.fr/fr/guide/traitabilite-ssp-selection-techniques-evaluation-performances

ADEME (2012)
Les taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)
Étude Ernst & Young
Synthèses des données 2008 – 114 p.

ADEME (2015)
Taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)
Étude Ernst & Young. Synthèse des données 2012, 148 p. (Fichier PDF - 6,13 Mo)

BRGM (Juin 2010)
Quelles techniques pour quels traitements - Analyse coûts-bénéfices
S. Colombano, A. Saada, V. Guerin, P. Bataillard, G. Bellenfant, S. Beranger, D. Hube, C. Blanc, C. Zornig et I. Girardeau
Rapport final BRGM/RP-58609-FR
http://ssp-infoterre.brgm.fr/quelles-techniques-quels-traitements
http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-58609-FR.pdf