La valorisation des boues d’épuration séchées dans la brique de terre cuite. Faisabilité technique et environnementale


Etude Scientifique, 2015

107 Pages, Note: 18/20


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TABLE DES MATIERES

LISTE DES TABLEAUX

LISTE DES FIGURES

LISTE DES ABREVIATIONS, ACRONYMES ET SYMBOLES

CHAPITRE 1.0: INTRODUCTION
1.1 Généralités
1.2 Présentation du Problème
1.3 Importance de l’Etude
1.4 Objectifs de l’Etude
1.5 Etendue et Limites de l’Etude
1.5.1 Etendue de l’étude
1.5.2 Limites de l’étude

CHAPITRE 2.0: REVUE DE LA LITTERATURE
2.1 Généralités sur les Stations d’Epuration d’Eaux Usées
2.1.1 Terminologie
2.1.2 Brève description du fonctionnement d’une station d’épuration
2.2 Les Types de Sous-produits Générés en STEP
2.2.1 Les refus de dégrillage
2.2.2 Les matières de dessablage
2.2.3 Les écumes
2.2.4 Les boues
2.3 Origine et Typologie des Boues d’Epuration
2.3.1 Les boues primaires
2.3.2 Les boues secondaires
2.3.3 Les boues tertiaires ou mixtes
2.4.1 Problèmes dus aux bactéries filamenteuses
2.5 Composition et Caractérisation des Boues d’Epuration
2.5.1 Composition
2.5.2 Caractérisation des boues
2.6 Statut des Boues d’Epuration en tant que Déchets Dangereux
2.7 Evaluation Quantitative de la Production de Boue en STEP
2.8 Les Filières de Traitement des Boues d’Epuration
2.8.1 La stabilisation
2.8.2 La réduction de la teneur en eau
2.8.3 L’ hygiénisation
2.9 Valorisation des Boues d’Epuration dans le Domaine de la Construction: Production de Briques Cuites
2.10 Généralité sur la Brique de Terre Cuite
2.10.1 Définition
2.10.2 Les matières premières
2.11 Généralité sur les Argiles, Principales Matières Premières
2.11.1 Définition et origines des argiles
2.11.2 Minéralogie, structure et propriétés des argiles
2.12 Principaux Minéraux Argileux pour les Terres Cuites et leurs Propriétés
2.13 Fabrication des Produits en Terre Cuites ou Céramiques
2.13.1 Caractérisation des argiles utilisées dans le domaine de la céramique
2.13.2 Préparation de la pâte
2.13.3 Façonnage
2.13.4 Séchage
2.13.5 Cuisson
2.14 Travaux Antérieurs sur la Production des Briques Cuites à Base de Déchets
2.15 Principes et Méthodes de l’Evaluation Environnementale
2.15.1 Cadre général
2.15.2 Les différents tests de lixiviation
2.15.3 Les différents modes de lixiviation

CHAPITRE 3.0: MATERIELS ET METHODES
3.1 Environnement Physique de la Zone de Yaoundé
3.1.1 Localisation
3.1.2 Climat
3.1.3 Géomorphologie et sol
3.1.4 Hydrogéologie et hydrographie
3.1.5 Flore et faune
3.2 Quantification de la Production de Boues d’Epuration d’Eaux Usées Domestiques dans la Ville de Yaoundé
3.2.1 Méthodologie adoptée
3.3 Démarche Expérimentale de la Valorisation des Boues en Laboratoire
3.3.1 Analyse des matières prmières
3.4 Fabrication des Eprouvettes en Laboratoire
3.4.1 Préparation des matières premières
3.4.2 Mise au point des mélanges
3.4.3 Préparation de la pâte
3.4.4 Confection des éprouvettes de briques
3.4.5 Séchage
3.4.6 Cuisson
3.5 Analyses et Tests de Qualification des Eprouvettes
3.5.1 Détermination des propriétés physiques
3.5.2 Détermination des propriétés mécaniques
3.6 Evaluation Environnementale des Eprouvettes de la Formulation Retenue
3.6.1 Procédure de lixiviation selon la norme européenne EN 12457 – 265
3.6.2 Procédure de lixiviation selon la norme américaine: Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP)

CHAPITRE 4.0: RESULTATS ET DISCUSSIONS
4.1 Quantification de la Production de Boues d’Epuration dans la Ville de Yaoundé à l’Horizon 2020
4.2 Caractérisation des Matières Premières
4.2.1 Caractérisation du matériau argileux
4.2.2 Caractérisation des boues
4.3 Analyses et Tests de Qualification des Eprouvettes
4.3.1 Aspect, retrait linéaire et perte au feu des éprouvettes
4.3.2 Absorption d’eau
4.3.3 Succion des briques
4.3.4 Masses volumiques apparente et absolue
4.3.5 Efflorescence
4.3.6 Résistance à la compression
4.4 Formulation Retenue
4.5 Evaluation Environnementale des Eprouvettes de la Formulation B15

CHAPITRE 5.0: CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
5.1 Conclusions
5.2 Recommandations
5.2.1 Recommandations pour l’amélioration de la gestion des boues d’épuration au Cameroun
5.2.2 Recommandations pour les travaux futurs

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXES
Annexe 1: Valeurs limites pour test de lixiviation selon les procédures européenne et américaine
Annexe 2: Détails de calcul de la production de boues dans la ville de Yaoundé
Annexe 3: Classification des sols en fonction de la valeur au bleu de méthylène
Annexe 4: Récapitulatif des résultats des différents essais réalisés sur les éprouvettes
Annexe 5: Etapes de l’évaluation environnementale de la formulation retenue

RESUME

Les déversements sans traitements préalables des boues d’épuration dans le milieu naturel à Yaoundé sont une source de pollution considérable, ayant des impacts négatifs sur la santé humaine et l’environnement. Ceci est dû au fait qu’aucun plan de gestion de ces déchets n’est prévu dans les politiques d’assainissement liquide au Cameroun. C’est fort de cette situation que la présente étude, voudrait contribuer à la recherche d’une voie d’élimination de ces déchets en les valorisant dans la fabrication des briques cuites. Pour y parvenir, les activités menées ont consisté à: (i) l’évaluation de la production de boues dans la ville de Yaoundé, basée sur la méthode du bilan massique par procédé ; (ii) la caractérisation des matières premières (argile et boues) ; (iii) la détermination des propriétés physico-mécaniques des briques fabriquées, conformémént aux procédures de la norme française NF P13-304, et (iv) l’évaluation environnementale de la formulation retenue, par des essais de lixiviation.

La ville de Yaoundé comptera d’ici 2020, sept stations d’épuration d’eaux usées domestiques pour une production de boues, qui atteindra les 6 400 tonnes de matières sèches. L’analyse chimique des poudres de boues a montré des teneurs totales plus ou moins fortes en éléments potentiellement dangereux tels que le Zn (680 mg.kg-1), Cu (272 mg.kg-1), Cr (68 mg.kg-1) et Ni (31 mg.kg-1), ayant également présenté des fractions mobilisables au-dessus des seuils réglémentaires français, d’où leur caractère dangereux. Les résultats des essais réalisés sur les éprouvettes fabriquées avec les taux de 10, 15, 20, 25, 30, 35 et 40 % en masse de boue dans l’argile ont montré que ce taux a une influence remarquable sur les propriétés physico-mécaniques des briques. L’augmentation du taux de boue crée une diminution du retrait linéaire, des masses volumiques apparente et absolue et de la résistance à la compression. Par ailleurs la perte de masse, l’absorption et la succion de l’eau par les briques augmente avec le pourcentage de boue, ce résultat étant attribué principalement à la matière organique qui se volatilise pendant la cuisson en rendant les briques plus poreuses. Les résultats ont montré également que toutes les éprouvettes contenant les boues ont présenté des efflorescences et que jusqu’au taux d’ajout de 15 % de boue, la valeur de la résistance à la compression des éprouvettes de 11,6 MPa reste supérieure à la valeur minimale exigée par la norme française NF P13 – 304. En plus, les essais de lixiviations réalisés sur les éprouvettes à 15 % de boue, ont montré de très faibles teneurs en métaux lourds relarguées dans les lixiviats d’où l’immobilisation de ceux-ci dans la matrice céramique des briques.

ABSTRACT

Spills out of sewage sludge in Yaounde without prior treatment in the surroundings, are a veritable source of pollution that contribute to a negative impact on the human health and the environnement. This is due to the absence of a viable environnemental sanitation policy and management in Cameroon. It is for this reason that this study was carried out to contribute to a safer disposal of these wastes by their incorporation in fired clay brick. To achieve this, the activities have consisted mainly to: (i) the evaluation of sludge production in the Yaounde town, based on the method of mass balance by process ; (ii) the characterization of raw materials (clay and sewage sludge) ; (iii) the determination of the physico-chemical and mechanical properties of the bricks made in accordance with the French standard NF P13 – 304 procedures ; and (iv) environmental assessment of the retained mix design, by leaching tests.

In 2020, Yaounde will count seven waste water treatment plants with the potential producing 6 400 tons of dry matters. The chemical analysis of sludge powders, reveal the following heavy metals: Zn (680 mg.kg-1), Cu (272 mg.kg-1), Cr (68 mg.kg-1) and Ni (31 mg.kg-1). The leached fraction from the powders are higher than the recommanded limits. The results obtain from specimens made with the incorporation of 10, 15, 20, 25, 30, 35 and 40 % by weight of sludge in the clay, have shown that the addition of sludge has a remarkable impact on the physico-mechanical properties of the bricks. The increase of sludge content result in a decrease of the linear shrinkage, bulk and absolute density and compressive strength. The loss of ignition, water absorption and water succion of the bricks increase with the percentage of sludge, these results being attributed primarily to the organic matter contained in the sludge which is volatilized during firing, making the bricks more porous. The results also show that all the test specimen containing sludge have presented efflorescences and that bricks with 15 % of sludge content, exhibited a compressive strenght of 11.6 MPa. This value is higher than the minimum required by the French standard NF P13 – 304. On the other hand, the leaching tests carried out on specimens with 15 % of sludge, have shown a very low level of leaching which indicates that these heavy metals have been immobilsed in the ceramic matrix of the bricks.

REMERCIEMENTS

En préambule à ce mémoire, je tiens à remercier le Seigneur Dieu tout puissant, pour tous les bienfaits qu’il ne cesse de faire en ma faveur.

Cette étude n’aurait pas pu être possible, n’eu été la contribution de plusieurs personnes à qui je dois d’exprimer ma gratitude:

Je tiens à priori à remercier mon superviseur, le Dr. KATTE Valentine pour sa générosité, et qui, malgré sa lourde charge académique, s’est toujours forcé à lire, corriger et à approter l’expertise scientifique nécessaire pour l’avancement du travail.

Je tiens aussi à remercier le Pr. MVONDO Ze Antoine, Doyen de la FASA, Chef du laboratoire de chimie du sol et de l’environnement, qui a permi que je puisse continuer cette étude au sein de ce laboratoire.

Je remercie également le Pr. Uphie CHINJE Melo, Directrice de la MIPROMALO, qui a permi que je puisse réaliser la partie technique de cette étude au sein de son Institution.

Je tiens aussi à remercier M. MOUNDOM Amadou, qui a bien voulu co-superviser ce travail, et qui a toujours été présent à l’écoute de toutes mes préoccupations en faisant des remarques et suggestions pour l’amélioration du travail.

Je tiens aussi à remercier particulièrement, M. LEMOUGNA Patrick, Chef du Département d’Appui Technique de la MIPROMALO, qui a volontairement accepté d’ encadrer ce travail et sans oublier tout le staff technique du laboratoire d’analyse des matériaux de la MIPROMALO.

Je tiens également à remercier sincèrement M. NDONGO Barthélémy, pour sa gentillesse et qui avait volontairement voulu m’aider lors de mes recherches de stage.

Je n’oublie pas mes parents et mes sœurs, pour leur contribution, leur soutien et leurs encouragements. Je tiens à exprimer de tout cœur, mes remerciements envers ma chère maman, Huberthe YOUMBI qui n’a cessé de me donner de l’energie nécessaire pour la réalisation des mes différentes activités sur le terrain.

Enfin, j’adresse mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m’ont toujours soutenu et encouragé au cours de la rédaction de ce mémoire. Il s’agit entre autre de: Thiery MBOA, Ernest NDONGMO, Armand NGANKAM, Angelina JIOFACK, etc... Vraiment merci !

DEDICACES

A

« Mon papa M. NGASSOP Samuel de regretté mémoire et ma très chère maman Huberthe qui, depuis le prompt départ de son mari, pour le voyage sans retour, n’a jamais baissé les bras ».

LISTEDES TABLEAUX

2.1: Production de matières sèches dans divers procédés d’épuration

2.2: Surface spécifique totale des particules argileuses

3.1: Composition en matières premières des différentes formulations

3.2: Quantité d’eau de la pâte pour 01 éprouvette de chaque formulation

3.3: Gammes des masses volumiques apparente et absolue usuelles des briques cuites

3.4: Sulfates les plus fréquents qui provoquent des efflorescences

4.1: Différentes STEP d’eaux usées domestiques dans l’espace urbain de Yaoundé en 2020

4.2: Quantité estimée de boues dans la ville de Yaoundé par les stations en service et celles en projet

4.3: Masses volumiques apparente et réelle de l’argile Etoa

4.4: Répartition granulométrique en pourcentage du matériau argileux d’Etoa

4.5: Limites d’Atterberg et indice de plasticité de l’argile Etoa

4.6: VBS et surface spécifique totale du materiau argileux d’Etoa

4.7: Composition minéralogique de l’argile Etoa (% massique)

4.8: Composition chimique (% massique d’oxydes)

4.9: Composition en éléments chimiques du matériau argileux (% massique)

4.10: Teneur en eau et siccité des boues après séchage

4.11: Valeur du pH des boues d’épuration

4.12: Composition chimique des boues

4.13: Teneurs totales en métaux et fraction mobilisable de chaque élément

4.14: Quantités de métaux relargués dans les lixiviats à l’issu du test de lixiviation selon la norme européenne

4.15: Quantités de métaux relargués dans les lixiviats à l’issu du test de lixiviation selon la norme américaine

LISTE DES FIGURES

2.1: Boues filamenteuses dues au foisonnement

2.2: Mousses biologiques en surface de bassin d’aération

2.3: Les différentes étapes de fabrication d’un produit de terre cuite

3.1: Localisation de la ville de Yaoundé

3.2: Démarche expérimentale

3.3: Etapes de l’opération de quartage

3.4: Site d’extraction du matériau argileux

3.5: Préparation de l’échantillon d’argile pour la détermination de la masse volumique apparente

3.6: Analyse granulométrique du matériau argileux

3.7: Détermination des limites d’Atterberg

3.8: Appareils de micro-analyses

3.9: Vues de la STEP de la Cité-verte

3.10: Etapes de la reconstitution du lit de séchage

3.11: Collecte et séchage des boues

3.12: Collecte et transport des boues sèches au laboratoire

3.13: Matériaux broyés et tamisés à 400 μm

3.14: Séchage des éprouvettes à température ambiante du laboratoire

3.15: Cuisson des éprouvettes

3.16: Test d’absorption et de succion d’eau

3.17: Test d’efflorescence par immersion partielle des éprouvettes cylindriques

3.18: Appareils pour mesure de la résistance à la compression

4.1: Répartition spatiale des différentes stations dans l’espace urbain de Yaoundé

4.2: Courbe granulométrique du matériau argileux d’Etoa

4.3: Diagramme de Casagrande

4.4: Concentration totale dans les lixiviats et contenus totaux des éléments dans les boues

4.5: Comparaison des concentrations relarguées lors de l’essai de lixiviation et des seuils relatifs à la mise en décharge

4.6: Evolution du retrait linéaire et de la perte au feu des éprouvettes de briques

4.7: Résultats du test d’absorption d’eau

4.8: Résultats du test de succion

4.9: Masses volumiques apparente et absolue des éprouvettes

4.10: Résultats du test d’efflorescences

4.11: Résultats du test de résistance à la compression des éprouvettes

LISTE DES ABREVIATIONS, ACRONYMES ET SYMBOLES

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CHAPITRE 1.0

I NTRODUCTION

1.1 Généralités

Les accroissements démographiques, économiques et urbains sont à l’origine de différentes sources de pollution environnementale (pollution atmosphérique, du sol et des eaux de surfaces et profondes) et ce en particulier dans les pays en développement, moins préoccupés et moins sensibilisés par les risques sanitaires concomitants. Parmi ces sources de pollution, la production d’eaux usées, souvent rejetées dans le milieu récepteur (cours d’eaux, sols) sans traitement préalable, génère de nombreuses maladies hydriques et une propagation des épidémies (OMS, 1989).

Avec un taux de croissance de 2,6 % de la population Camerounaise, l’INS estime que, ce chiffre doublera d’ici 27 ans, soit un taux de croissance de 5,2 % en 2037 (INS, 2010). Cet accroissement de la population, couplé aux forts taux d’urbanisation actuel (6 à 7 % à Yaoundé et Douala) (Djayou, 2008) s’accompagnera sans doute d’une augmentation des besoins en eau à usage domestique et industriel. Cette augmentation de la demande en eau est cependant, suivie par une production considérable d’eaux usées dont l’impact négatif sur l’environnement est encore mal connu pour certain.

En 2008, la Banque Mondiale fît le constat selon lequel, le domaine de l’assainissement des eaux usées en général, devant faire partie intégrante de toute politique de gestion environnementale, n’était pas jusque-là, une priorité pour plusieurs pays en Afrique subsaharienne, s’y intéressant de moins en moins: 0,2 % en 2002, et 0,05 % en 2006 (Banque Mondiale, 2008 cité par Feumba et al., 2014).

Le Cameroun fasisant également parti de ces pays mentionés par la banque mondiale n’a pas tardé à réagir, et sous la charge du MINEE, du MINHDU et des Communautés Urbaines, s’est donné pour ambition de renover et de construire de nouvelles stations d’épuration comme tel est déjà le cas dans la ville de Yaoundé (système de 2ième génération), en se proposant également de faire passer de 34 % en 2010 à 57 % en 2020, la proportion des systèmes de traitement des eaux usées (MINEE, 2011).

Notons cependant que, quel que soit le système d’épuration adopté, le traitement des eaux usées s’accompagne d’une production inévitable de quantités de boues non négligeables dont il faut se débarrasser. Dans le contexte actuel de la protection de l’environnement, la gestion de ces boues constitue l’un des enjeux majeurs des sociétés de traitement de l’eau et des municipalités (Melquiot, 2008).

Plusieurs filières existent pour l’élimination de ces boues, mais le choix doit être tributaire du coût d’installation, de l’origine des boues, de la valeur ajoutée du produit qui en résulte et de l’impact que pourrait avoir la filière retenue sur l’environnement.

La mise en décharge (appelée aussi stockage) s’avère une technique peu valorisante et est légalement interdite (Directive 1999/31/CE). Par ailleurs, l’incinération de boues avec son coût prohibitif, génère de grandes quantités de cendres dont il faudrait également s’en débarrasser (Tay, 1987). En plus, cette filière n’est actuellement en mesure d’absorber qu’une fraction minoritaire de ce type de déchet (Atlan, 2002) et présente un risque lié à l’impact de gaz toxiques sur l’environnement tel que celui de la dioxine (ADEME, 1999). La valorisation énergétique (production de biogaz comme source de chaleur et d'électricité) et la valorisation biologique ou agricole (production d'engrais et de compost) constituent des technologies vertes permettant de transformer les boues en produits à haute valeur ajoutée en minimisant les risques de pollution (ADEME, 2001). Cependant, les produits et/ou sous-produits générés par la valorisation énergétique pourront nécessiter également une élimination ultérieure. En outre, les odeurs pestilentielles générées, et la présence d'agents pathogènes dans ces boues, ainsi que les quantités souvent importantes de métaux lourds qui peuvent y être retrouvés (Henning et al., 1999) ou qui existent déjà dans les sols limitent ou empêchent même leur utilisation en agriculture (Barraoui, 2006). D’où la nécessité d’envisager actuellement, de nouvelles pistes (ou filières) de valorisation à la fois sans danger pour les humains et surtout respectueuses de l’environnement. Cette action de prévention doit consister à assurer le développement de technologies propres et plus économes en ressources naturelles (MINEPDED, 2007). C’est donc à cet effet que les travaux de Johnson et al. (2014) confirment que l’incorporation dans les produits de terre cuites et dans la céramique est de nos jours une solution environnementale très prometteuse pour répondre au problème du devenir d'une grande variété de déchets solides dont fait partie les boues d’épuration.

Cette étude, s’inscrit dans le cadre d’un projet de gestion environnementale de la MIPROMALO, le projet DIERTA, un projet pilote, promouvant le recyclage des déchets en tant que « matières premières secondaires » pour l’industrie de la terre cuite.

1.2 Présentation du Problème

Le traitement des eaux usées, avant leur rejet, constitue le moyen efficace et incontournable qui permet de minimiser la contamination du milieu récepteur (MINEE, 2011). Malheureusement, les quantités énormes de boues, générées suite à cette opération nécessitent leur disposition.

Dans la plupart des pays d’Afrique subsaharienne, et comme au Cameroun en particulier, la problématique des boues d’épuration semble toujours ne pas être prise en considération par les municipalités et les gestionnaires de STEP, malgré les risques qu’elles représentent pour notre environnement.

Avec l’amélioration des systèmes de traitement d’eaux usées actuels, et la construction de nouvelles STEP, dans la ville de Yaoundé, la production de boues va se voir croître, et ceci à un rythme exponentiel d’ici quelques années seulement. Dès lors, la gestion de ces boues deviendra une question cruciale à court terme.

Par ailleurs, parmi les STEP déjà en service dans la ville de Yaoundé, aucune ne dispose d’une filière alternative de recyclage voire de traitement des boues. Ce qui importe le plus, c’est de traiter l’eau. Cependant, la préoccupation à ce niveau est donc de savoir quelle est la destination finale des boues générées ? Ainsi, l’évidence s’avérerait être le déversement anarchique de ces matières, fortement chargées en polluants (surtout métallique) dans l’environnement, d’où la violation de la Loi Camerounaise N° 89/027 (1989) interdisant tout déversement sur le territoire national, de ces déchets sous toutes leurs formes. Il serait très important de noter que les éléments traces métalliques (ETM), (dangers potentiels), se concentrent dans les boues d'un facteur d'environ dix miles (10 000) par rapport à leur teneur dans les eaux usées (Balmer, 2001) ; leur caractère non biodégradable et indestructible, et leur potentiel de toxicité vis-à-vis des plantes, des organismes vivants et des humains (Kandpal et al., 2004), justifierait plutôt qu’on s’en préoccupe, tant ils représentent un enjeu important des politiques d’assainissement en général, et s’inscrivent dans toutes les questions qui touchent à la protection de l’environnement.

1.3 Importance de l’Etude

Le développement durable tel que défini par la Loi Camerounaise N° 96/12 du 05 Août 1996, en son article 4, est « le mode de développement qui vise à satisfaire les besoins de développement des générations présentes, sans compromettre les capacités des générations futures à répondre aux leurs » (Loi N° 96/12). De cette définition, deux concepts majeurs peuvent être dévoilés:

– le concept de la protection de l’environnement ;
– le concept de la rationalisation de l’utilisation des ressources naturelles.

L’environnement constitue en République du Cameroun, un patrimoine commun de la nation ; sa protection et la gestion rationnelle des ressources qu’il offre à la vie humaine sont d’intérêt général.

En ce qui concerne le concept de la protection de l’environnement, la présente thématique s’inscrit dans la volonté de développer une nouvelle filière de valorisation respectueuse de l’environnement, aussi bien pour les boues d’épuration que pour tous autres déchets solides dont la gestion à toujours posée d’énormes problèmes de pollution dans notre société (à l’instar des boues de vidange).

Concernant le concept de la rationalisation de l’utilisation des ressources naturelles, cette étude pourrait s’inscrire dans la volonté d’identifier une matière première dite « secondaire » qui, renouvelable, pourrait être utilisée dans l’industrie de la brique cuite. Etant donné, que l’argile n’est pas naturellement renouvelable, la possibilité d’incorporer des boues, voire tous autres déchets solides, dans les formulations pour briques cuites, pourrait ainsi contribuer à la marche vers la rationalisation de l’exploitation de la ressource naturelle qu’est l’argile.

1.4 Objectifs de l’Etude

L’objectif de cette étude est de contribuer à la recherche d’une voie d’élimination des boues de stations d’épuration en les utilisants comme matières ‘premières secondaires’ pour la fabrication des briques de terre cuite. De façon spécifique, elle consistera à:

– quantifier la production de boues dans la ville de Yaoundé à l’horizon 2020 ;
– caractériser les différentes matières premières (argile et boue) ;
– déterminer les propriétés physico – mécaniques des éprouvettes fabriquées à partir de différents ratios argile/boue ;
– faire une étude environnementale de la formulation retenue.

1.5 Etendue et Limites de l’Etude

1.5.1 Etendue de l’étude

La présente thématique, s’inscrit dans une stratégie de développement durable. En effet, elle se veut d’encourager la gestion durable de toutes matières ou objets ayant le statut de déchet polluant, conformément à la Loi Camerounaise N° 96/12 (1996). Ainsi, la valorisation et/ou le recyclage de ces déchets s’avèrent être les seuls modes pouvant garantir une telle gestion.

Ce travail, mené à l’échelle de laboratoire a consisté principalement à mettre en évidence la capacité des briques d’argiles cuites à piéger les polluants à l’instar des métaux lourds dont l’impact sur l’environnement n’est pas à négliger.

1.5.2 Limites de l’étude

– Ce travail ne s’est limité qu’à l’étude des stations d’épuration d’eaux usées
domestiques à l’exclusion des stations industrielles et des hôpitaux.
– L’étude n’a pas fait l’objet d’une caractérisation complète des matières premières ainsi que des produits finis, faute d’insuffisance des équipements adéquats au sein de la MIPROMALO, qui pouvait permettre d’avoir une bonne compréhension sur le comportement des matériaux.
– L’étude ne s’est limitée qu’à une seule température de cuisson et de ce fait, n’a donc pas étudié l’influence de la variation de la température de cuisson des éprouvettes contenant les boues sur leurs propriétés physico – mécaniques.
– En ce qui a concerné la caractérisation des briques après cuisson, cette étude ne s’est limitée qu’à un certain nombre de paramètres. En effet, certaines propriétés importantes telles que l’isolation thermique et acoustique des briques obtenues n’ont pas pu être analysées.
– L’étude environnementale qui, très importante afin de déterminer le comportement des polluants envers le milieu environnant, n’a consisté qu’en des tests de lixiviation simples.
– Enfin, cette étude n’a abordée que les aspects techniques et environnementaux sans tenir compte du volet économique, qui aurait pu donner un état général sur cette voie de valorisation des boues afin de juger son réalisme.

CHAPITRE 2.0

REVUE DE LA LITTERATURE

2.1 Généralités sur les Stations d’Epuration d’Eaux Usées

2.1.1 Terminologie

Station d’épuration

C’est une installation dont le but principal est de traiter les effluents domestiques ou industriels afin de rejeter dans la nature, une eau propre, dépourvue de pollution.

Eaux usées

Selon la définition de la Directive 91/271/CEE, font partie des eaux dites sales, les eaux urbaines résiduaires et les eaux industrielles usées.

Les eaux urbaines résiduaires sont les eaux ménagères usées, les eaux usées (noires ou grises) qui proviennent des établissements et des lieux de résidence et sont produites essentiellement par les activités ménagères et le métabolisme humain) ou le mélange des eaux ménagères usées avec les eaux industrielles usées et/ou des eaux de ruissellement.

Les eaux industrielles usées sont toutes les eaux provenant de locaux utilisés à des fins commerciales ou industrielles, autres que les eaux ménagères usées et les eaux de ruissellement (Bliefert et Perraud, 2001).

2.1.2 Brève description du fonctionnement d’une station d’épuration

Les stations d’épuration sont généralement installées à l’extrémité d’un réseau de collecte, sur l’émissaire principal. Elles agrègent une succession de dispositifs ayant chacun pour objet d’extraire les différents polluants présents dans les eaux usées (particules, substances dissoutes, microorganismes) par des procédés physiques, chimiques et biologiques. Sont ainsi d’abord effectués, des prétraitements, puis une succession de traitements (primaires, secondaires et tertiaires) (Degrémont, 1989) qui, par étapes successives, permettent d’aboutir d’une part, à une eau épurée, rejetée dans le milieu naturel, et d’autre part, à des sous - produits désignés sous le terme de boues résiduaires (Atlan, 2002).

Le prétraitement

Au cours du prétraitement, l'égalisation et la neutralisation génèrent une eau usée plus homogène, alors que le dégrillage retient les débris de grandes tailles, le dessablage et le déshuilage permettent respectivement l’élimination des particules sablonneuses qui décantent rapidement et des matières huileuses (graisses) flottantes à la surface de l’eau.

Le traitement primaire

Au cours du traitement primaire (appelé aussi sédimentation ou décantation primaire), les substances en suspension et colloïdales, ainsi que les matières flottantes, sont séparées habituellement par une étape de décantation.

Le traitement secondaire

Au cours du traitement secondaire, il y a réduction du niveau de la matière organique colloïdale et dissoute. Ce traitement est souvent de nature biologique où une pellicule fixe sert de support physique (lit bactérien, biofiltres aérobies, disques biologiques) pour immobiliser les microorganismes.

Le traitement tertiaire

Le traitement tertiaire vise souvent la désinfection des eaux usées par utilisation de rayonnement ultraviolet ou de désinfectant. En effet, même si une part non négligeable des bactéries et des virus est éliminée lors des traitements primaire et secondaire, la concentration des germes pathogènes demeure encore assez élevée (ADEME, 2001).

2.2 Les Types de Sous-produits Générés en STEP

2.2.1 Les refus de dégrillage

Les refus de dégrillage sont des déchets grossiers (solides) de toute nature: débris de bois, boîtes de conserve, feuilles, diverses matières plastiques, retenus au niveau du dégrilleur.

2.2.2 Les matières de dessablage

Ce sont des matières récupérées au niveau des prétraitements (sable, graviers, ou particules lourdes) en quantité importante.

2.2.3 Les écumes

Ce sont les matières grasses de dégraissage-déshuilage, récupérées éventuellement par flottation.

2.2.4 Les boues

On entend par boue d’épuration, tout dépôt, sédiment ou masse visqueuse, produit lors du traitement des eaux usées (Barraoui, 2006). Ces boues sont initialement constituées d’eau (99 %), de matières organiques fraîches très fermentescibles, et de matières minérales dissoutes ou insolubles (ADEME, 2001).

2.3 Origine et Typologie des Boues d’Epuration

Selon le type de traitement des eaux usées, une station d’épuration peut produire, à l’origine, trois grands types de boues (ADEME, 2001). Ces boues proviennent en général du traitement de la charge polluante contenue dans les eaux usées à chaque étape du traitement, et la quantité de boues produites est dans une certaine mesure, un indicateur de performance du procédé de traitement mis en place (Atlan, 2002).

2.3.1 Les boues primaires

Elles sont produites par une simple décantation des matières organiques et minérales en suspension (MES) contenues dans les eaux usées. Elles sont très instables et putrescibles du fait qu’elles n’ont pas subi de décomposition. Jusqu'à 70 % de MES peuvent être retenues lors de cette étape (Actu-Environnement, 2010).

2.3.2 Les boues secondaires

Les boues secondaires ou boues physico-chimiques proviennent de l'agglomération des matières organiques particulaires ou colloïdales contenues dans les eaux usées, par addition d’un réactif coagulant (sels de fer ou d’aluminium) qui sont ensuite séparées par décantation. Jusqu'à 90 % de MES peuvent être retenues lors de cette étape de traitement des eaux usées, et donc se retrouver dans les boues. Ces boues contiennent une partie importante de sels minéraux issus des eaux brutes et de l’agent coagulant (Actu-Environnement, 2010).

2.3.3 Les boues tertiaires ou mixtes

Ce sont un mélange de boues primaires et de boues biologiques. Elles proviennent de la totalité de la station. A ces boues s'ajoutent parfois des boues, physico-chimiques provenant de la décantation de l’effluent après ajout d’un réactif (ADEME, 2001).

2.4 Problèmes Généralement Rencontrés avec les Boues en STEP

2.4.1 Problèmes dus aux bactéries filamenteuses

Les principaux dysfonctionnements dus aux bactéries filamenteuses sur station se manifestent sous deux formes (FNDAE, 2005):

– le foisonnement: mauvaise décantation de la boue suite à une augmentation du volume occupé par celle-ci ;
– le moussage: formation d’une couche épaisse de mousse en surface des ouvrages.

Les causes sont bien souvent d’origines multiples (conception, exploitation, composition de l’effluent…).

Le foisonnement

On rappelle qu’une boue décantante correctement à un indice de boue de l’ordre de 100 ml.g-1 (FNDAE, 2005). Le foisonnement (bulking en anglais) est caractérisé par un indice de boue supérieur ou égale à 200 ml.g-1 ce qui cause donc des problèmes de décantation. On parle ainsi de boues filamenteuses (Figure 2.1).

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Figure 2.1: Boues filamenteuses dues au foisonnement (Source: Djumyom (2011))

Les mousses

Ce sont des amas de flottants très stables de couleur marron clair et de structure visqueuse. Leur densité tend à s’accroître progressivement au cours du temps (FNDAE, 2005). Ces mousses sont peu déstructurées par une agitation de surface et reforment rapidement un tapis uniforme en absence d’agitation. Ces flottants (Figure 2.2) constituent un milieu favorable au développement privilégié des bactéries filamenteuses responsables du moussage.

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Figure 2.2: Mousses biologiques en surface de bassin d’aération (Source: FNDAE (2005))

2.5 Composition et Caractérisation des Boues d’Epuration

2.5.1 Composition

La composition exacte des boues varie en fonction de l'origine des eaux usées, de la période de l'année, du type de traitement et du conditionnement pratiqué dans la station d'épuration (Singh et al., 2004). Les boues résiduaires représentent avant tout une matière première composée de différents éléments (matières organiques, éléments fertilisants (N et P), d’ETM (As, Cu, Cr, Pb, Zn, Cd, Hg…) de CTO et d'agents pathogènes).

Composition de la fraction organique des boues

La fraction organique des boues présente en quantité plus élevée est la fraction appelée « lignine - humus » (Minzi et al., 1981). Par ailleurs, la matière organique des boues est constituée de matières particulaires éliminées par gravité dans les boues primaires, des lipides (6 à 19 % de la matière organique), des polysaccharides, des protéines et des acides aminés (jusqu'à 33 % de la matière organique), de la lignine, ainsi que des produits de métabolisation et des corps microbiens résultant des traitements biologiques (digestion, stabilisation) (ADEME, 2001).

Composition de la fraction minérale des boues

Minzi et al. (1981) ont caractérisé la fraction minérale de boues prélevées dans 10 stations d’épuration de la Toscane (Italie). Les diffractogrammes ont montré une constante présence de quartz, calcite, dolomite, feldspaths, kaolinite, micas et chlorites. En général, de faibles quantités de talc, d’halite, de montmorillonite et/ou vermiculite et, parfois, de 1’opale et du gypse ont été trouvées.

2.5.2 Caractérisation des boues

Selon Haoua (2007), la connaissance de certains paramètres des boues est importante pour leur valorisation. Il s’agit en effet de:

i . La concentration en matières sèches

La concentration en matières sèches permet de connaître la quantité de boue à traiter, quel que soit son niveau de concentration dans la filière de traitement.

ii . Le taux de matières volatiles sèches

La matière sèche est constituée de matières minérales et de matières organiques qui sont appelées matières volatiles sèches (MVS). La concentration en matières volatiles sèches est un taux par rapport à la matière sèche totale. Le suivi de ce taux permet de connaître la stabilité d’une boue sur une échelle. Plus une boue a un taux de matières volatiles sèches faible, plus elle est dite stable.

iii . La siccité

Les boues étant constituées d’eau et de matières sèches, la siccité est le pourcentage massique de matières sèches. Ainsi, une boue avec une siccité de 10 %, présente une humidité de 90 %.

iv. La consistance

C’est une donnée obligatoire à connaître pour toute manipulation des boues. La consistance est un état physique dépendant de la siccité. Selon les valeurs de la siccité, on peut distinguer:

– les boues liquides (siccité inférieure à 10 %) ;
– les boues pâteuses (siccité de 10 à 25 %) ;
– les boues solides (siccité de 25 à 85 %) ;
– les boues sèches (siccité supérieure à 85 %).

Selon les traitements d’épuration appliqués, les boues présentent des caractéristiques différentes:

– lit bactérien: siccité 2 à 5 %, MVS 60 à 70 % ;
– lagunage naturel: siccité 5 à 10 %, MVS 30 à 60 % ;
– décanteur-digesteur: siccité 4 à 7 %, MVS 40 à 60 % ;
– boues du bassin d’aération en station à boue activée: siccité 0,4 à 0,6 % ;
– boues du clarificateur en station à boue activée: siccité 1 %.

v. PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur)

Le PCI a une importance primordiale en incinération.

vi. Teneur en éléments traces métalliques

Quelle que soit la destination finale des boues, la connaissance des teneurs en éléments traces métalliques est primordiale, surtout en cas de valorisation. Ainsi, tous les ETM de la directive décharge dont le tableau est donné en annexe 1 doivent pouvoir être identifiés.

vii. Graisses

Généralement exprimées en matières extractibles à l'hexane (MEH), elles sont intégrées aux matières volatiles. Elles sont prises en compte dans toutes les opérations de combustion ou biologiques.

viii. Fibres

Les fibres (matières ligno-cellulosiques carbonées) peuvent réduire la résistance spécifique de la boue et, par conséquent, améliorer sa déshydratabilité. Elles constituent une partie non négligeable de la fraction non dégradable des matières volatiles.

ix. Agents pathogènes

Les agents pathogènes (surtout présents dans les eaux résiduaires) sont principalement associés aux MES, et se retrouvent donc en grande majorité dans les boues. Il s'agit de virus, bactéries et parasites (protozoaires, œufs d’Helminthes). La teneur des boues en agents pathogènes est caractérisée en fonction de la présence des plus résistants d'entre eux, qui sont donc jugés représentatifs du risque à estimer: les entérovirus (virus), salmonelles (bactéries) et œufs d'Helminthes viables (parasites).

2.6 Statut des Boues d’Epuration en tant que Déchets Dangereux

Le législateur Camerounais, par la Loi du 29 décembre 1989, qualifie de déchets toxiques et/ou dangereux, « toutes matières contenant des substances représentant un danger pour la vie des personnes, des animaux, des plantes et pour l'environnement en général » (Loi N°89/027). Dans ce contexte, l’éventuelle dangerosité des boues d’épuration dépend essentiellement de leurs teneurs en métaux lourds au regard des limites en substances dangereuses réglementées d’une part, et d’autre part de leur écotoxicité globale.

Par ailleurs, les boues d’épuration sont des sousproduits d’une activité qui vise à préserver l’environnement des rejets d’eaux polluées et non à produire une matière particulière en vue de son utilisation. Ces boues ne sont pas la finalité même de l’opération de traitement des eaux et sont généralement destinés à l’abandon. Pour ces raisons, les boues sont dans de nombreux cas considérés comme déchets.

Conformément à la directive européenne concernant la mise en décharge des déchets, il y’a trois seuils très importants, qui sont les seuils « inertes », « non dangereux » et « dangereux »:

– les déchets pour lesquels les relargages sont plus bas que les seuils « inertes » peuvent être valorisés dans différents domaines sans traitement préalable ;
– les déchets pour lesquels les relargages sont plus élevés que les seuils « inertes » mais plus bas que les seuils « non dangereux » sont acceptables pour un stockage en décharge municipale (déchets non dangereux). Ils peuvent également être réutilisés en construction en fonction des seuils spécifiques aux différents scénarios choisis en constructions (par exemple, en route, en bâtiment) ;
– les déchets pour lesquels les relargages sont plus élevés que les seuils « non dangereux » mais plus bas que les seuils « dangereux » sont admissibles en décharge pour déchets dangereux.

L’annexe 1 présente les valeurs limites relatives à ces trois seuils.

2.7 Evaluation Quantitative de la Production de Boue en STEP

La production de boues, exprimée en quantité de matières sèches (MS), est fonction du procédé adopté pour l’épuration (GLS, 2006), du nombre d’équivalent habitant (EH) raccordé à la STEP, et de la charge polluante à traiter. Plusieurs méthodes de calcul de la production de boue d’une STEP ont été proposées. Les méthodes communément utilisées sont:

La méthode du bilan massique spécifique par procédé

Cette méthode, proposée par GLS (2006), est basée sur le bilan de la production journalière de matières sèches par EH, en fonction du type de procédé de traitement. Le Tableau 2.1 donne ainsi les fourchettes de production de matières sèches, estimées par EH par jour.

Tableau 2.1: Production de matières sèches dans divers procédés d’épuration

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Source: GLS (2006)

a Matière sèche en g.EH-1.j-1

Par ailleurs, lorsque la filière de traitement des effluents met en œuvre des procédés biologiques, l'évaluation de la production de MS en excès reste empirique du fait du grand nombre de facteurs entrant en jeu. Plusieurs modèles mathématiques ont été développés afin d'évaluer cette production. Tous ne sont pas équivalents, et conduisent à des résultats qui peuvent varier du simple au double. Le moins complexe de ces modèles est représenté par l’équation (2.1) suivante, qui donne, pour des rejets urbains, une première estimation de la quantité de matières sèches produites (GLS, 2006):

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Méthode proposée par le Groupe CEMAGREF-SATESE

Selon cette méthode, on estime généralement la production de boues en excès sur une STEP à 40 g.EH-1.j-1 (Haoua, 2007). Néanmoins, cette estimation peut être corrigée en fonction de certaines données locales de la STEP telles que:

i. La composition des eaux usées (s’il y’a des apports d’eaux usées industrielles ou de matières de vidange) ;
ii. L’efficacité du réseau d’assainissement (taux de raccordement, fuites sur réseau et infiltration d’eaux parasites) ;
iii. L’efficacité de fonctionnement de la STEP (pertes de boues, ajout de réactifs par exemple).

Méthode de l’ADEME

Selon l’ADEME (2001), un équivalent habitant produit 150 à 200 litres d’eau usée par jour ce qui correspond à:

i. 70 à 90 g de matières en suspension (ou M.E.S, matières non dissoutes) ;
ii. 60 à 70 g de matières organiques, exprimés en DBO5 ;
iii. 15 à 17 g de matières azotées, exprimés en N ;
iv. 4 g de phosphore, exprimés en P ;
v. Plusieurs milliards de microorganismes (par 100 ml d’eau usée).

Ces estimations ont amené à conclure qu’un EH produit annuellement environ 15 kg de matières sèches.

Mé thode empirique de Chipasa

Chipasa (2003) estime que le volume de boues produites par jour dans une STEP représente de façon générale, 1 % du volume d’eaux usées traité quel que soit le procédé.

2.8 Les Filières de Traitement des Boues d’Epuration

Le choix de la filière de traitement des boues dépend de leurs origines, leurs types, de leurs caractéristiques et de leurs destinations finales (Office International de l’Eau, 2001). Trois grands types de traitements sont mis en œuvre (Atlan, 2002):

– la stabilisation ;
– la réduction de la teneur en eau ;
– l’hygiénisation.

2.8.1 La stabilisation

Elle a pour objectif d’empêcher ou de réduire les problèmes de fermentation et d’éviter ainsi les nuisances olfactives. On distingue les stabilisations biologique, chimique et thermique. La stabilisation biologique peut être atteinte par méthanisation (digestion anaérobie mésophile), stabilisation aérobie thermophile ou compostage. La stabilisation chimique peut s’effectuer par un chaulage ou une stabilisation aux nitrites. Le séchage (siccité supérieure à 90 %) quant à lui constitue une forme de stabilisation thermique (Léonard, 2002). Les détails sur les différents types de stabilisation sont retrouvés dans le document de l’office international de l’eau, en 2001.

2.8.2 La réduction de la teneur en eau

Pour réduire les volumes à manipuler, différents procédés sont mis en œuvre comprenant par ordre croissant d’efficacité et de coût, l’épaississement, la déshydratation et le séchage. En amont de ces procédés, des traitements dits de conditionnement sont souvent utilisés pour favoriser la séparation liquide/solide. Ils utilisent des floculants organiques de synthèse (polyélectrolytes) ou minéraux (chaux, sels de fer ou d’aluminium) (Atlan, 2002).

L’épaississement

L’épaississement vise à augmenter la siccité (teneur en matières sèches) sans lui enlever sa caractéristique liquide ; il est obtenu par voie gravitaire dans un concentrateur ou par des moyens mécaniques (égouttage, flottation …) ce qui amène la siccité à 5 à 6 % (Atlan, 2002). Ce procédé est fréquent en zone rurale et concerne les petites stations d’épuration (2000 à 5000 EH) (Atlan, 2002).

La déshydratation

La déshydratation vise à augmenter significativement la siccité en faisant passer la structure des boues de l’état liquide à un état pâteux ou solide. Les filtres à bandes et les centrifugeuses donnent des boues plutôt pâteuses avec une siccité de 18 à 25 % (Atlan, 2002). Les filtres-presses produisent des boues de structure solide (30 à 35 % de siccité). Ces matériels sont réservés aux installations importantes car plus coûteux et contraignants d’emploi que les filtres à bandes et les centrifugeuses (Atlan, 2002).

Le séchage

Le séchage élimine en grande partie ou en totalité l’eau par évaporation, soit par voie naturelle (lits de séchage) soit par voie thermique. La technique des lits de séchage se pratique à l’air libre sur des boues et combine l’évaporation naturelle et le drainage de l’eau libre à travers une couche filtrante de sable et de graviers. Ce système qui suppose une emprise au sol de 1 m2 pour 4 – 5 habitants, amène parfois à une siccité des boues supérieure à 50 % (Atlan, 2002). Le séchage thermique permet une élimination quasi- totale de l’eau (siccité à 95 %) mais les coûts énergétiques qu’il suppose rendent ce procédé quelque peu prohibitif (Atlan, 2002).

2.8.3 L’ hygiénisation

L’hygiénisation se définit comme un traitement devant maintenir le taux de germes pathogènes à des niveaux très bas (à la limite de leur détection). Ces niveaux de détection sont définis dans l’arrêté du 8 Janvier 1998 (arrêté relatif aux conditions imposées pour les épandages de boues sur les sols agricoles) (Atlan, 2002). Les traitements consistent en des digestions thermophiles en anaérobiose ou en aérobiose, par chaulage fort ou par le compostage, exceptionnellement par pasteurisation.

2.9 Valorisation des Boues d’Epuration dans le Domaine de la Construction: Production de Briques Cuites

Ngnikam et Tanawa (2006) ont défini la valorisation d’un déchet comme toute action qui permet:

– d’en tirer de l’énergie (considéré comme bien, par extension) ;
– de trouver un nouvel usage à la matière qui le compose ;
– de trouver une matière première secondaire utile à la fabrication d’un bien ;
– de trouver un nouvel usage à l’objet ;
– à ce déchet de redevenir utile.

La valorisation constitue la seule stratégie permettant d’accéder, par le maintien de l’équilibre du cycle de la matière, à une gestion globale de la matière. En effet, cette nouvelle utilisation retarde le retour ultime de celle-ci vers le milieu naturel (Ngnikam et Tanawa, 2006).

Le problème de la gestion des boues d’épuration s’est toujours posé au quotidien dans la plupart des collectivités de traitement de l’eau (Melquiot, 2008). A cet effet, plusieurs études pour tenter d’éliminer ces boues en les utilisant pour la fabrication des briques ont été menées (Aeslina et al., 2014):

Tay et al. (2002) avaient testé la faisabilité de l’utilisation des cendres de boues d’épuration, dans l’industrie de la terre cuite. Pour ce faire, différents ratios boue/argile avaient été constitués jusqu’à l’optimum de 50 % en masse de boue dans l’argile et les résultats des essais de la résistance à la compression avaient montré une constante décroissance de 65 MPa pour les briques normales (sans ajout de cendres) à 47,2 MPa pour les briques avec 50 % de cendres ce qui a permis ainsi de conclure que l’ajout des cendres de boues avait une influence négative sur la résistance à la compression.

Ramadan et al. (2008) ont discuté de la réutilisation des boues de stations d'épuration dans les briques cuites. Les résultats de l’absorption d’eau des briques fabriquées se situaient entre 4,84 % et 17,34 % et conformes à l'exigence de la norme égyptienne. Parmi les éprouvettes de briques fabriquées, cinq formulations avaient présentés une absorption d'eau inférieure à 7 % , satisfaisante aux exigences britanniques. Selon Ramadan et al. (2008) la résistance à la compression est généralement affectée par la porosité, la taille des pores et le type de cristallisation. Les résultats des essais de compression ont montré des valeurs de la résistance à la compression comprises entre 2,3 MPa et 11,66 MPa. Ils ont ainsi montré la possibilité de valoriser jusqu’à 20 % de boue dans les briques avec des valeurs de la résistance à la compression supérieure à 7,35 MPa et satisfaisant à la norme britannique pour briques de catégorie A.

Ingunza et al. (2011) ont mené une étude sur la possibilité de l’utilisation des boues d’épuration comme additifs dans la brique cuite en établissant sept formulations comportant chacune 12 éprouvettes, avec des taux d’incorporation de boue dans l’argile de 0, 5, 10, 15, 20, 25 et 30 %. Les résultats obtenus ont montré qu’aucun signe d’altération de couleur ou d’odeur n’avaient été observés sur les briques. Les briques avec 35 % de boues étaient très fragiles et présentaient quelques changements (retrait linéaire de l’ordre de 1 à 7 mm). Les résultats ont également montré que, la perte de masse des briques avait été siginficativement élevée, ceci dû à la matière organique des boues qui s’est volatilisée pendant la cuisson. Weng et al. (2003) avaient également signalé la même conclusion. En termes de propriétés, les résultats de l'absorption d’eau ont indiqué qu'il y a eu une constante augmentation pour chaque brique par rapport à la brique de référence. Avec 25 % de boue utilisée, la capacité d'absorption d’eau des briques augmente d’environ 160 % de plus que la brique de référence. Ils ont pu conclure que les briques avec 25 % et 30 % n’ont cependant pas répondus au minimum requis par la norme, pourtant les formulations de 0 à 20 % ont présenté des propriétés en accords à la réglémentation.

Les investigations de Saijun (2011) sur trois formulations contenant respectivement 6, 8 et 10 % en masse de boue avaient montré que la résistance à la compression des briques témoins (0 % de boue) avait été diminuée de 20,22 %, pourtant la valeur de la résistance à la flexion élevée. La valeur de la résistance à la compression lorsque l’ajout de boue est maximal (10 %) était de 21,8 MPa tandis que la résistance à la flexion est de 4,6 MPa. Ils ont ainsi conclu qu’ à 10 % de boue les propriétés restaient en bon accords avec la réglémentation.

Quant à Hegazy et al. (2012a) qui avaient discuté de l'incorporation des boues de traitement des eaux usées et des cendres de balle de riz dans les briques, différents taux de substitutions (en masse de boue et de cendre de balles de riz) avaient été établis séparement pour la fabrication des briques: 25, 50 et 75 %. Chaque série de briques avait été cuite respectivement à 900, 1000, 1100 et 1200 °C. La valeur de la résistance à la compression des briques était comprise entre 5,7 MPa et 6,8 MPa pour les briques témoins, entre 2,82 MPa et 7,84 MPa pour les briques contenant les boues et les cendres de balles de riz. Poutant, pour le test d'absorption d'eau, les résultats étaient compris entre 9,94 % à 11,18 % pour les briques témoins et entre 17,41 % et 73,33 % pour les briques contenant les boues et les cendres de riz. De ces résultats, ils ont pu conclure qu’ à une température de cuisson commune, 75 % est le taux optimun d’incorporation pour la production de brique.

D'autre part, Hegazy et al. (2012b) avaient également discuté de l'incorporation des boues, de silice et de la cendre de balle de riz dans la fabrication des briques cuites. Pour ce faire, trois séries de formulations avec différents ratios de boues/silice/cendres de balles de riz avaient été constituées: 25/50/25, 50/25/25 et 25/25/50 %. Les éprouvettes de briques de chaque formulation avaient été cuites respectivement à 900, 1000, 1100 et 1200 °C. Il ressort que pour la résistance à la compression et l'absorption d'eau, les résultats ont été de 5,03 MPa à 8,12 MPa et 16,24 % à 52,11 % respectivement. Basé sur ces résultats, ils ont conclu que la formulation constituée de 50 % de boues, 25 % de silice et 25 % de cendres de balles de riz est l’optimum de substituion, qui a également montrée des propriétés supérieures à celles des briques témoins (à 100 % d’argile).

Joan et Lazaro (2012) avaient étudié les effets environnementaux liés à l’utilisation des briques fabriquées à partir des boues de station d’épuration. En tenant compte de la toxicité des métaux, et de la fraction de métaux lixiviables, les résultats ont montré que les boues pouvaient être incorporées avec succès et sans risque d’avoir d’effets négatifs dans l’environnement, dans les briques et à des taux de variant de 5 à 25 % en masse et voire même plus, si les propriétés mécaniques ne sont pas tellement considérées.

Victoria (2013) avait fabriqué des briques à base de boues avec cinq ratios boue/argile: 0, 5, 10, 15 et 20 %. Chaque brique avait été moulé à la main et cuite dans un four à des températures de 850, 900, 950, 1000 et 1050 °C. Les résultats de la résistance à la compression des briques se situaient entre 0,97 MPa et 12,98 MPa. Etant donné que l'augmentation de la teneur en boue cause la diminution de la densité et une augmentation de l'absorption d'eau, les résultats de la densité et l'absorption d'eau étaient de 1 g.cm-3 à 2 g.cm-3 et 14,07 % et 31 % respectivement. Les résultats des essais de lixiviation TCLP ont montré que le niveau de la lixiviation des métaux était dans les limites acceptables.

Babu et Ramana (2013) dans leur recherche sur la durabilité des briques fabriquées avec des boues de traitement d’eaux usées industrielles, ont montré que l’argile pouvait être remplacé jusqu’à 40 % en masse, par les boues et avec des propriétés satisfaisantes. La résistance à la compression des briques sans ajout de boue et des briques avec 5 % de boue étaient respectivement de 11,7 MPa et 17,6 MPa. Mais au-délà de 5 % de boue, la résistance à la compression chute directement pour des valeurs inférieures à 10 MPa. En outre, lorsque 10 % de boue est ajouté, la valeur de l’absorption d'eau augmente directement ceci à cause de la forte porosité engendrée par la volatilisation de la matière organique des boues.

2.10 Généralité sur la Brique de Terre Cuite

2.10.1 Définition

La brique de terre cuite est un matériau de construction ayant généralement la forme d’un parallélépipède rectangle, soit plein, soit perforé verticalement ou horizontalement, obtenu par filage, ou pressage ou les deux procédés, d’une matière argileuse éventuellement complétée par des ajouts séchés et ensuite cuite à une température comprise entre 900 et 1100 °C (température de maturation) (Melo et Lemougna, 2012).

2.10.2 Les matières premières

Les matières premières utilisées dans la fabrication des briques de terre cuites sont principalement (Melo et Lemougna, 2012):

– Les terres argileuses, contenant une forte proportion (au moins 20 %) d’argile minéralogique (kaolinite, illite, smectites…) qui leur donne leur aptitude au façonnage et leurs propriétés mécaniques après cuisson ;
– Les matières fondantes: ils fondent à basse température (700 – 800 °C) et favorisent la consolidation de la structure. Ce sont: les feldspaths (silicoaluminates de sodium, potassium, ou calcium), pegmatites, craie, sables fusibles, talc, etc…
– Les matières dégraissantes (sables de quartz, chamotte, cendre volante, roches dures broyées (basaltes et micaschistes), déchets de briques cuites, matières organiques (sciure de bois, balles de riz…): elles favorisent le séchage tout en limitant la déformation, car régularisent la plasticité ;
– Autres additifs: latérites, oxydes métalliques divers (oxydes de fer, de cobalt, de chrome, de manganèse) pour donner une couleur particulière aux produits.

2.11 Généralité sur les Argiles, Principales Matières Premières

2.11.1 Définition et origines des argiles

Dans les ouvrages de référence, il existe plusieurs définitions du terme « argile ». Eslinger et Peaver (1988) proposent de définir les argiles comme un minéral qui domine dans la fraction fine inférieure à deux microns, des roches et des sols. Par contre, Weaver (1989) regroupe tous les minéraux phyllosilicatés sans aucune connotation de taille. En géotechnique, les argiles sont définies comme étant des matériaux de granulométrie inférieures à deux micromètres (Caillère et al., 1982).

2.11.2 Minéralogie, structure et propriétés des argiles

Les principaux composants des argiles sont les minéraux argileux dominants appartenant à la famille des phyllosilicates. Leur structure est composée de deux unités:

– la couche tétraédrique ;
– la couche octaédrique.

Les différents groupes de minéraux argileux se différencient par l'arrangement de ces deux couches. L'organisation structurale des phyllosilicates se base sur une charpente d'ions O2- et OH- (Caillère et al., 1982). Ces anions occupent les sommets d'assemblages octaédriques (d'ions O-2 et OH-). Dans les cavités de ces unités structurales élémentaires, viennent se loger des cations de taille variable (Si4+, Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+) en position tétraédrique ou octaédrique. Ces éléments s'organisent planairement pour constituer des couches octaédriques et tétraédriques dont le nombre détermine l'épaisseur du feuillet. L'espace entre deux feuillets parallèles s'appelle espace interfoliaire. Lorsque deux cavités sur trois de la couche octaédrique sont occupées par Al3+ (ou un autre ion métallique trivalent), la structure est dénommée dioctaédrique. Quand la totalité des cavités octaédriques est occupée par des ions métalliques bivalents, la structure s'appelle trioctaédrique. Par ailleurs, il peut exister des substitutions isomorphiques dans les couches tétraédriques (Si4+ → Al3+, Fe3+) et/ou octaédrique (Al3+→ Mg2+Fe2+, ou Mg2+ → Li+). Ces substitutions entraînent un déficit de charge qui est compensé, à l’extérieur du feuillet, par des cations compensateurs.

2.12 Principaux Minéraux Argileux pour les Terres Cuites et leurs Propriétés

Les minéraux argileux sont principalement des phyllosilicates, c’est-à-dire qu’ils sont constitués par un empilement de feuillets. Les minéraux argileux les plus importants pour la terre cuite sont les suivants (Melo et Lemougna, 2012):

– La kaolinite, (Si2O5)Al2(OH)4 ou sous une autre forme Al2O32SiO2.2H2O: minéral à deux couches (1/1, épaisseur de l’unité structurale d = 7,2 Å) fréquent dans les sédiments argileux provenant de l’altération de roches acides (granite). La kaolinite présente une faible activité électrochimique et montre de faible retrait au séchage et à la cuisson. Elle demande des températures de cuisson élevées et elle est assez réfractaire après cuisson. Par conséquence l’eau ne peut s’adsorber qu’autour des particules, ce qui explique le faible gonflement de cette argile.
– L’illite, KAl2(OH)2(AlSi3(O,OH)10): minéral à trois couches (2/1, d = 10 Å). Les liens entre les feuillets sont assurés par des atomes de potassium (K). Ils sont moins forts que ceux de la kaolinite, mais plus que ceux de la montmorillonite. L’illite apporte de la plasticité. C’est le type d’argile le plus utilisé dans la terre cuite.
– Les smectites comme la montmorillonite: minéral à trois couches (2/1), avec des teneurs variables en Na, Al, Fe, Mg. A la différence des kaolinites et des illites, les smectites ont la capacité d’incorporer dans leur structure des molécules d’eau (une couche d’eau de 2,5 − 5,2 Å d’épaisseur). Cette eau modifie la dimension de la couche en provoquant son gonflement (une augmentation de volume pouvant atteindre 95 %). Les smectites offrent des capacités d’expansion beaucoup plus importantes que celles des autres minéraux argileux. De cette capacité d’absorption d’eau découlent leurs propriétés particulières de plasticité, de retrait/gonflement et d’absorbant.
– Les chlorites, Mg5(Al, Fe)(OH8)(Al, Si)4O10: minéral à quatre couches (2/1/1, d = 14 Å) très fréquent dans les argiles pour terre cuite. Les chlorites existent en plus grands cristaux dans les roches magmatiques. Elles sont également formées pendant la diagenèse des roches sédimentaires.

2.13 Fabrication des Produits en Terre Cuites ou Céramiques

Traditionnellement, les différents secteurs de la céramique se classent en deux groupes (Ouahabi, 2013):

– la céramique grossière ou de construction qui comprend les secteurs des briques et tuiles, des tuyaux en grès, des produits réfractaires et des granulats d’argile expansée ;
– la céramique fine ou céramique traditionnelle et industrielle, qui regroupe les secteurs des carreaux pour sols et murs, des céramiques ornementales, des appareils sanitaires, des céramiques techniques et des abrasifs inorganiques.

2.13.1 Caractérisation des argiles utilisées dans le domaine de la céramique

Bien que des normes d’utilisation des argiles dans les divers secteurs de la céramique varient d’un pays à un autre, les exigences technologiques reposent souvent sur la granulométrie, la surface spécifique, la composition chimique et/ou minéralogique (Celik, 2010).

La granulométrie

L’étude granulométrique d’un matériau naturel, terre ou sol, devant servir dans le secteur de la céramique est d’une importance capitale car c’est d’elle que dépendent les caractéristiques des produits finis qui en dérivent. La composition granulométrique des argiles intervient donc pour une part importante dans leurs aptitudes au façonnage, au séchage et à la cuisson (Ouahabi, 2013).

La surface spécifique

La surface spécifique d’une poudre d’argile est la surface développée par l’ensemble des grains. La surface spécifique d’un matériau argileux constitue un indicateur de sa susceptibilité au phénomène de retrait-gonflement, et par conséquent il s’agit d’un paramètre important pour le choix des voies de valorisation (Ouahabi, 2013).

Les observations démontrent que l’activité d’une argile est constante et que chaque type d’argile a une activité qui lui est propre (Tableau 2.2). Plus la surface spécifique est grande, plus le nombre de substitutions est grand et cette activité est d’autant plus élevée.

Tableau 2.2: Surface spécifique totale des particules argileuses

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Source: Eslinger et Peaver (1988)

* Surface spécifique totale en m2.g-1

La composition minéralogique

En céramique, l’utilisation des argiles naturelles (schistes sédimentaires, argiles latéritiques, argiles alluviales) est fréquente. La majorité des argiles provenant de l’altération des roches dans la zone intertropicale humide est kaolinitique (Millot, 1964). Les principaux minéraux associés à la kaolinite dans les argiles fréquemment employées dans l’industrie céramique sont d’après Castelein (2000):

– les minéraux argileux tels que l’illite, les smectites, les chlorites, les argiles interstratifiées, l’halloysite ;
– le quartz ;
– les feldspaths ;
– la muscovite ;
– les carbonates d’alcalino-terreux.

La composition chimique

La composition chimique et les proportions des éléments chimiques des argiles jouent un rôle primordial dans la qualité des produits finis. Les argiles kaolinitiques sont classées en fonction de leur teneur en alumine (Al2O3) après calcination (Castelein, 2000). On distingue:

– les argiles à faible teneur en alumine, Al2O3 < 30 % en masse, destinées à la poterie ;
– les argiles à forte teneur en alumine, Al2O3 comprise entre 35 et 40 % en masse, riche en kaolinite parfois associées à un autre minéral argileux, destinées pour les porcelaines, les faïences, les grès ;
– les argiles réfractaires, Al2O3 > 40 % en masse, destinées pour les réfractaires.

Bien que les produits en terre cuite soient multiples, leur processus de fabrication est similaire. La figure 2.3 présente les différentes étapes de fabrication d’un produit en terre cuite.

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Figure 2.3: Les différentes étapes de fabrication d’un produit de terre cuite

(Source: Samara (2007))

2.13.2 Préparation de la pâte

La préparation de la pâte a pour but d’éliminer les cailloux et les impuretés, doser les composants, homogénéiser et humidifier le mélange pour obtenir la bonne plasticité de la pâte. Les méthodes anciennes consistaient à piétiner ou à battre la terre. Aujourd’hui la matière première est obtenue par mélange des argiles ou terre et des dégraissants dans un broyeur qui rend les grains plus fins (selon la granulométrie désirée).

2.13.3 Façonnage

Le façonnage donne à la pâte une cohésion suffisante, grâce à l’élimination de l’air occlus dans l’argile et à l’amélioration de l’état plastique de la pâte, soit par mouillage additionnel, soit par une injection de vapeur d’eau. Deux procédés sont principalement utilisés dans l’industrie de la terre cuite: le filage (moulage ou extrusion) et le pressage. Le procédé de mise en forme le plus couramment appliqué aux pâtes plastiques est l’extrusion. Elle permet d’obtenir un produit de forme définitive (Melo et Lemougna, 2012).

2.13.4 Séchage

Le séchage a pour but d’éliminer la plus grande partie de l’eau qui se trouve dans les produits après façonnage (15 – 30 % par rapport à la masse sèche) (Samara, 2007). C’est une phase délicate et importante de la fabrication qui doit être minutieusement contrôlée pour éviter des fissurations, des retraits différentiels importants et des distorsions des produits en terre cuite. Le séchage est réalisé progressivement en contrôlant deux paramètres: la température et l’humidité. On distingue deux phases (Samara, 2007):

– Le départ de l’eau colloïdale qui sépare les différentes micelles d’argile et intervient dans la plasticité. Le volume de retrait correspond au volume de l’eau retiré ;
– Le départ de l’eau d’interposition qui se trouve libre dans les pores de l’argile. Le départ de l’eau est totalement compensé par la création de porosité (sans retrait) ; l’argile dans cette phase perd complètement sa plasticité.

2.13.5 Cuisson

La cuisson donne aux produits séchés leurs caractéristiques finales adaptées à leur utilisation pour la construction. Cette phase doit répondre à des impératifs techniques et économiques et doit être conduite de façon à obtenir des produits de caractéristiques fonctionnelles satisfaisantes. Il s’agit donc de contrôler plusieurs paramètres qui influencent la phase de cuisson tels que la température, la durée de cuisson et l’atmosphère à l’intérieur du four. Les températures de cuisson sont comprises en général entre 950 et 1150 °C selon le type d’argile (Melo et Lemougna, 2012).

Phénomènes physico-chimiques qui peuvent se produire lors de la cuisson

Plusieurs réactions chimiques et physiques complexes se produisent dans le mélange avec la montée de température pendant la cuisson, ce qui provoque des modifications de porosité, de masse volumique, de dimensions et de propriétés mécaniques du produit final (Melo et Lemougna, 2012):

– jusqu’à 200 °C environ, il se produit un dégagement de l’eau résiduelle de séchage et de l’eau d’hydratation.
– de 200 à 450 °C, destruction des matières organiques en s’oxydant avec l’air qui diffuse dans les pores. Si le milieu n’est pas oxydant, des résidus carbonés se décomposent et forment des hydrocarbures et du carbone qui reste à l’intérieur de la brique, ce qui peut faciliter la présence du cœur noir. Les hydroxydes de fer (goethite: FeO(OH)) se transforment selon la possibilité d’oxydation soit en hématite (Fe2O3) avec la coloration rouge, soit en magnétite (Fe3O4) avec une coloration bleu noire.
– de 400 à 680 °C, destruction de la kaolinite à 550 °C avec le départ d’eau de constitution (déshydroxylation) (Cultrone et al., 2001). Des composés très fins et désordonnés (métakaolin) se forment et un début de retrait de cuisson est observé à ce stade. A 573 °C, le quartz change de forme cristallographique (point de quartz).
– de 750 à 850 °C, il y’a décomposition du carbonate (CaCO3) en chaux vive (CaO) accompagnée par le dégagement du CO2 (Cultrone et al., 2001).
– au-delà de 850 °C, deux phénomènes sont observés (Albenque, 1974 cité par Samara, 2007) selon la minéralogie du mélange: Les argiles non-calcaires développent un frittage liquide donnant aux produits finaux une structure liée par une phase vitreuse (Khalfaoui et al., 2006). En revanche, les argiles calcaires (teneur élevée en calcite CaCO3, et dolomite CaMg (CO3)2) ne développent pratiquement pas de phase vitreuse et la cristallisation des produits céramique s’effectue en phase solide (Cultrone et al., 2001). Le CaO disparait et de nouvelles phases commencent à se former comme: les silicates de calcium (wollastonite: CaSiO3), les aluminosilicates de calcium (anorthite: CaO.Al2O3.2SiO2 ; gehlenite: 2CaO.Al2O3.SiO2) (Cultrone et al., 2001).

2.14 Travaux Antérieurs sur la Production des Briques Cuites à Base de Déchets

Plusieurs types de déchets ont été utilisés en tant que matières premières dites « secondaires » dans la brique de terre cuite.

Samara (2007) avait étudié la possibilité de valoriser les sédiments fluviaux pollués après inertage dans la brique cuite. A l’issu de la caractérisation complète des matières premières (argile et sédiment fluviaux), la présence de métaux lourds a été descellée dans les sédiments. Ensuite, les éprouvettes de briques constituées avec des taux d’incorporation de sédiments de 0, 25, 35 et 45 % et cuits à 1000 °C dans un four tunnel, ont présenté des propriétés physiques et mécaniques fortement influencés par l’ajout de sédiments. En effet, les masses volumiques apparente et absolue, et la résistance à la compression des éprouvettes diminuaient avec le pourcentage de sédiment dans les briques ce qui était attribué à la matière organique contenue dans les sédiments. Ensuite des tests de lixiviation avaient été réalisés avec la formulation de 35 % de sédiment dans les briques. Les résultats ont montré que les métaux avaient été soient immobilisés dans la matrice des briques soient transformés en oxydes peu solubles.

Djadouf et al. (2011), ont mené une étude sur l’influence de deux résidus organiques: le grignon d’olive et le foin, sur les caractéristiques de la brique de terre cuite. A cet effet, ils ont confectionné des briques de terre avec addition des résidus suscités et à des proportions de 0, 1, 2, 3, 4, 5 et 10 %. Tous les échantillons ont été cuits à 900 °C. Les résultats ont montré que l’augmentation de la quantité de résidus organiques cause une réduction de la masse volumique apparente. La raison principale étant la combustion de ces résidus. En plus, les valeurs de la résistance à la compression des échantillons cuits diminuaient avec le pourcentage d’ajout mais tout en étant encore supérieures à celle exigée par la norme algérienne. Le pourcentage de chute par rapport à l’échantillon témoin a atteint 37,2 % pour un ajout de 10 %.

Martinez et al. (2012) avaient également mené une étude sur la valorisation de bagasse issue d’une industrie brassicole. Pour ce faire, ils avaient confectionnés des éprouvettes contenant des proportions de bagasses de 0 ; 2,5 ; 5 ; 7,5 et 10 %. Ces éprouvettes ont tous été cuits à 950 °C dans un four de laboratoire et les propriétés céramiques tels: le retrait linéaire, la perte de masse, le taux initial d’absorption d’eau, et la résistance à la compression avaient été déterminées. Les résultats ont montrés qu’au taux de substitution de 2,5 % de bagasse dans les briques, on obtenait de meilleurs propriétés céramiques pour les briques conformément à la norme italienne.

Ikram et al. (2014), ont conduit une étude sur l’utilisation des sédiments de dragage portuaire comme matière première dans la fabrication des briques en terre cuite. L’objectif de leur travail étant de valoriser les sédiments de dragage portuaire non traités des ports de Tanger et de Larache dans des matériaux de construction en terre cuite et plus précisément dans les briques, une caractérisation complète des sédiments de dragage des ports de Tanger et de Larache a été réalisée. Ayant noté la présence de pollution métallique, la suite de l’étude a consisté à élaborer des échantillons de briques contenant 0, 10, 20, 40 et 70 % de sédiments. Les paramètres tels que: la porosité, l’absorption d’eau, la masse volumique apparente et la résistance à la compression des briques ont été déterminés. Les résultats ont montré dans l’ensemble que les propriétés céramiques des briques étaient fortement influencées par l’ajout de sédiments. Les tests de lixiviations réalisées sur toutes les formulations de briques, ont montré des teneurs dans les lixiviats inférieures aux limites admissibles dans les décharges, d’où ils ont pu conclure que les métaux ont été stabilisés dans la matrice céramique des briques lors du processus de frittage.

2.15 Principes et Méthodes de l’Evaluation Environnementale

2.15.1 Cadre général

La norme environnementale EN 12 – 920 (Chen, 2012) préconise que la valorisation de déchets pollués dans le domaine de la construction doit nécessairement passer par l’évaluation des impacts environnementaux des ouvrages incluant ces résidus. Cette évaluation permet de s’assurer de l’éco-compatibilité de ce mode de gestion vis-à-vis de l’environnement (Chen, 2012). L’éco-compatibilité est définie comme une situation où les flux de polluants émis par les déchets, placés dans un certain contexte physique, hydrogéologique et biologique sont compatibles avec les flux de polluants acceptables par les milieux récepteurs du site concerné (Chahidi, 2005). Pour envisager la valorisation d’un déchet dans un scénario impliquant un contact avec un lixiviant, il faut étudier au préalable son comportement dans des conditions relatives à ce scénario.

2.15.2 Les différents tests de lixiviation

Lorsque les résidus solides sont arrosés ou immergés dans de l’eau, les composants polluants peuvent être transférés dans la solution aqueuse (Chen, 2012). Plusieurs protocoles de tests de lixiviation existent pour comprendre, définir et tenter de prédire le comportement à court et à long terme des déchets. Ces méthodes peuvent être divisées en deux groupes: les tests d’extraction sans renouvellement du lixiviant, et les tests dynamiques pour lesquels il y a renouvellement du lixiviant (Hartwell et Calovini, 1999 cités par Chen, 2012).

Tests d’extraction sans renouvellement du lixiviant

Ces tests peuvent être séparés en 4 familles selon le protocole mis en place.

Essais d’extraction agitée

Dans ces essais, les conditions sont réunies pour atteindre l’état d’équilibre le plus rapidement possible. Ils permettent de mesurer alors les propriétés chimiques d’un système déchet-lixiviant. Parmi ces essais, les protocoles suivant peuvent être cités:

– TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure) (USA) ;
– EP TOX (Extraction Procedure Toxicity Test) (USA) ;
– WET (Waste Extraction Test) (California de l’USA) ;
– SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure) (USA) ;
– CEN/TC 292 (Characterization of waste) (Europe) qui comprend le CEN/TS 14429 (Essais de comportement à la lixiviation-Influence du pH sur la lixiviation avec ajout initial d’acide/base), CEN/TS 14997 (Essais de comportement à la lixiviation- Influence du pH sur la lixiviation avec contrôle continu du pH) et le NF EN 12457

(Essai de conformité pour lixiviation des déchets fragmentés et des boues).

Essais d’extraction non-agitée

Ces essais ont pour objectif l’étude des mécanismes cinétiquement limitant. L’intégrité physique de la matrice est conservée et affecte la cinétique de lixiviation. Parmi ces essais, certains font l’objet de normes:

– le MCC-1 (Static leach test) (Canada) ;
– le MCC-2 (High temperature static leach test) (Canada).

Essais d’extraction chimique séquentielle

Ces essais sont composés d’une succession de tests d’extraction agitée. Ils permettent d’étudier l’épuisement dans le temps des espèces solubilisables. Parmi ces essais, certains font l’objet de normes dont le D5284-93 (Sequential batch extraction of waste with acidic extraction fluid) (USA).

Essais d’accumulation de concentration

Dans ces essais, des aliquotes de déchets sont successivement mis en contact avec un même lixiviant pour modéliser un volume élémentaire de l’eau qui coule à travers un grand corps de déchets. Parmi ces essais, seuls certains font l’objet de normes:

– l’extraction chimique séquentielle (Sequential chemical extraction), qui est utilisée en recherche ;
– la procédure C de la norme de lixiviation (Standard leach test, Procedure C) (Wisconsin de l’USA).

Tests dynamiques avec renouvellement de lixiviant

Cette catégorie de tests comprend tous les essais dans lesquels les lixiviants sont renouvelés continuellement ou de manière intermittente pour maintenir un gradient de concentration pour la lixiviation.

Essais avec renouvellement périodique du lixiviant

Ces essais sont effectués en utilisant un échantillon de déchets monolithiques, granulaires ou broyés, mis en contact avec des batchs successifs de lixiviants frais. Parmi ces essais, certains font l’objet de normes:

– la norme 1320 de l’US EPA (Multiple extraction procedure) ;
– le MWEP (Monofill Waste Extraction Procedures) (USA) ;
– le test de disponibilité NEN 7341 (NEN 7341 Availability test) (Pays-Bas) ;
– le test de batch en série NEN 7349 (NEN 7349 Serial batch test) (Pays-Bas) ;
– le test de batchs gradés en série (Armée américaine) ;
– le NF EN 15863 (Essais de lixiviation dynamique des monolithes avec rénovation périodique du lixiviant, dans des conditions d’essai fixes) (Europe) ;
– la lixiviation granulaire compactée (Pays-Bas) ;
– le Test de conformité monolithique (Europe) ;
– le Test de comportement à la lixiviation sur éprouvettes monolithiques (France).

Essais de lixiviation avec renouvellement continu du lixiviant

Un échantillon de déchets est placé dans un récipient de lixiviation dans lequel la circulation du lixiviant frais autour des déchets fournit le gradient de concentration pour maintenir la lixiviation. Ce type de protocole est souvent utilisé pour les éprouvettes monolithiques. Parmi ces essais, certains font l’objet de normes:

– l’essai ISO Lixiviation 6961 (ISO Leach test 6961) ;
– ANSI/ANS 16-1 (Measurement of the leachability of low-level radioactive wastes by a short term test procedure) (Illinois de l’USA) ;
– le NEN 7345 (Monolithic diffusion test) (Pays-Bas) ;
– l’ASTM C1220-92 (Static leaching of monolithic waste forms for disposal of radioactive wastes) (USA) ;
– le NF EN 15864 (Essais de lixiviation dynamique des monolithes avec renouvellement continu du lixiviant, dans des conditions pertinentes pour des scénarios spécifiés) (Europe).

Essais de percolation

Dans ces essais, un récipient ouvert est rempli avec un solide poreux, le lixiviant traverse le récipient. L’effluent est échantillonné périodiquement et analysé. Parmi ces essais, certains font l’objet de normes:

– le WILT (Waste interface leach test) (Canada) ;
– le NVN 7344 (Leaching tests-Determination of the leaching of PAH, PCB, and EOX
from granular materials with the column test) (Pays-Bas) ;
– l’ASTM D4874-95 (Column test) (USA) ;
– le CEN/TS 14405 (Leaching behaviour tests-Up-flow percolation test (under specified conditions)) (Europe).

Tests de Soxhlet

Dans ces tests, l’échantillon de déchets est en contact permanent avec le lixiviant. Un soxhlet (ou plutôt extracteur de Soxhlet) est une pièce de verrerie utilisée en chimie analytique et en chimie organique. Elle permet d'extraire en continue, par un solvant, une espèce chimique contenue dans un solide. Parmi ces essais, certains font l’objet de normes à l’instar du MCC-5s (Soxhlet test) (Canada).

2.15.3 Les différents modes de lixiviation

Il existe deux modes de tests de lixiviation qui dépendent des conditions in situ à représenter (Maszkowska et al., 2013):

La lixiviation en colonne

Elle consiste en un écoulement ascendant ou descendant du lixiviat à travers un matériau granulaire. Ce test représente le cas réel d’infiltration des eaux de pluie à travers un matériau.

La lixiviation en batch

Ce test est plus simple. Il consiste à la mise en contact d’un lixiviant et un matériau monolithe avec un rapport L/S bien déterminé. Ce cas se présente dans la réalité lorsqu’un dépôt de déchets a une perméabilité plus faible que celle du terrain qui l’entoure. L’eau de ruissellement aura tendance à contourner le massif et le contact se fera par lixiviation de la couche externe du massif (Han et al., 2009). Les paramètres du test de lixiviation sont variables et sont fonction des buts recherchés et des conditions réelles du terrain, à savoir la durée de lixiviation, la nature du lixiviant (eau distillée ou eau acidifiée, pH), le rapport L/S (liquide/solide), la durée et le mode de contact eau-solide (retournement, agitation, percolation) (Quina et al., 2011).

Le test de lixiviation par colonne (ou le test de percolation) fournit des informations détaillées et précises mais sa durée est assez longue. La lixiviation en batch est rapide, simple et son test est peu couteux (Chen, 2012).

Plusieurs chercheurs ont comparés les résultats mesurés par les deux tests de lixiviation (Abed et al., 2008 ; Meza et al., 2008 ; Grathwohl et Susset, 2009 ; cités par Chen, 2012). Il a été conclu que le test en batch est une bonne alternative, qui peut être utilisé au lieu du test en colonne, sous certaines conditions, en particulier lorsque le rapport L/S est élevé pour évaluer le comportement environnemental des déchets (Bin-Shafique et al., 2006).

CHAPITRE 3.0 MATERIELS ET METHODES

3.1 Environnement Physique de la Zone de Yaoundé

3.1.1 Localisation

Située en zone équatoriale, et à environ 250 km de la côte Atlantique, la zone de Yaoundé couvre une superficie d’environ 310 km2, étalée grossièrement entre les 3° et 5° parallèles de latitude Nord et les 11° et 12° méridiens de longitude Est. Capitale politique du Cameroun, elle est comprise dans l'interfluve des fleuves Nyong et Sanaga et localisée dans la bordure occidentale du plateau Sud-Camerounais (Onguéné, 1993). Doublement Chef-lieu de la Région du Centre, et du Département du Mfoundi, la ville de Yaoundé compte 07 Arrondissements et est administrativement limitée au Nord par Obala, au Sud, par Mbalmayo, à l’Ouest par Okola et à l’Est par Awaé (Figure 3.1).

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Figure 3.1: Localisation de la ville de Yaoundé

3.1.2 Climat

La ville de Yaoundé bénéficie d’un climat équatorial du type guinéen marqué par l’alternance de deux saisons sèches et deux saisons de pluies: (i) une grande saison sèche de Novembre à Février ; (ii) une petite saison de pluies de Mars à Juin ; (iii) une petite saison sèche très fraîche de Juillet à Août ; (iv) une grande saison de pluies d’Août à Octobre. Les précipitations moyennes annuelles sont de 1600 mm, réparties sur toute l’année avec deux maxima d’inégales importances en Mai (196 mm) et Octobre (293 mm) et deux minima (Janvier et Juillet). Le caractère généralement brutal des pluies affecte la pérennité des chaussées et le ravinement des zones non protégées par la végétation (Fouepe et al., 2011).

3.1.3 Géomorphologie et sol

Le soubassement de la surface intérieure de Yaoundé est d’âge précambrien et se compose essentiellement de roches cristallophyliennes (granites, gneiss, micaschistes) qui ont subi un aplanissement très poussé, responsable d’un paysage de collines et de vallées. Selon les travaux de Belinga et Kabeyene (1982), les sols ferralitiques ont pour caractéristiques physico-chimiques une texture argileuse, une faible capacité d’échanges, une dominance de kaolinite et hydroxyde de fer dans la fraction argileuse, un pH inférieur à 5,5 et une faible réserve minérale. Les horizons latéritiques constituent un bon absorbant et épurateur bioloique (Segalen, 1967). Dans les zones où la nappe d’eau souterraine est superficielle, le risque de pollution de l’eau est réel (Ondoua, 2001).

3.1.4 Hydrogéologie et hydrographie

Au Cameroun, on peut distinguer deux grandes unités hydrogéologiques distinctes: les bassins sédimentaires et les zones de socles cristallin et cristallophyllien (Djeuda et al., 2001). Ces unités sont surmontées par des formations pédologiques plus ou moins épaisses. La ville de Yaoundé étant en milieu cristallin, les phénomènes météorologiques enregistrés contribuent plus à la recharge de la nappe qu’à l’alimentation des cours d’eau du réseau hydrographique superficiel du bassin (Dim, 1992 cité par Ntep, 2005).

Le système hydrologique comprend le Mfoundi et ses affluents parmi lesquels le Tongolo et le Ntem au nord, le Ntongou, l’Ekozoa, l’Abiergue, et le Mingoa à l’ouest, le Djongolo à l’est, l’Olézoa, l’Ebogo, l’Ewoué, l’Aké, le Nkié et l’Odza au sud.

3.1.5 Flore et faune

La région de Yaoundé se trouve dans la forêt semi-décidue dégradée située entre la savane post-forestière du Nord et du Nord-Ouest, la végétation d’altitude, la forêt sempervirente de l’Ouest, et la forêt semi-décidue Congolaise du Sud (Letouzey, 1968). Dense par endroit, elle est constituée de hautes herbes, d’arbustes et de quelques grands arbres appartenant à la forêt primitive. La savane arbustive dense ou arbustive claire, est remarquable sur les sommets et les versants de certaines collines. Une végétation marécageuse constituée de petits palmiers raphia, palmiers à huile, rotins, de fougères aquatiques et d’algues se retrouvent dans les vallées mal drainées (bas-fonds) et le long des cours d’eau (Yongue, 1986).

La pression anthropique et la très faible étendue de ces forêts ont fait que la faune y est très pauvre. Les grands mammifères ont pratiquement disparu depuis longtemps de la zone. Essam (1989) cité par Nganti (2012) a relevé sur la colline de Mban Minkom la présence de quelques petits mammifères tels que le rat de Gambie (Cricetomys gambianus), le pangolin géant (Manis gigantea), l’athérure (Atherurus africana) et l’anamalure (Anamalurus sp). Quant à l’avifaune, Fotso (1994) cité par Nganti (2012) a observé un certain nombre d’espèces « paramontagnardes » dont l’habitat se trouve perturbé par les défrichements des forêts qui entourent les collines de Yaoundé. Il a plaidé le maintien de l’habitat des picathartes dont les colonies se font de plus en plus rares autour de Yaoundé.

3.2 Quantification de la Production de Boues d’Epuration d’Eaux Usées Domestiques dans la Ville de Yaoundé

3.2.1 Méthodologie adoptée

Cette évaluation s’est faite suivant deux étapes principales:

Etape 1: Recensement et cartographie des différentes stations d’épuration en service et des sites en projet

Cette étape a consisté, à l’aide du plan de masse de toutes ces stations obtenu auprès du MINHDU, de pouvoir identifier et de caractériser les différentes stations actuellement en services et celles en projet, en ce qui a surtout concerné: la situation géographique, le type de procédé de traitement, et le nombre d’équivalent habitant raccordé à chacune des stations d’épuration.

La cartographie des sites de production de boue actuelle et future s’est faite dans le but d’avoir un aperçu de la distribution des différentes stations d’épuration dans l’espace urbain de Yaoundé. Pour ce faire, un GPS de marque GARMIN a été utilisé pour pouvoir prendre les coordonnées géographiques des stations déjà en service et celles en cours de réhabilitation et de construction.

Etape 2: Estimation de la quantité de boues produites dans chaque station d’épuration

Après avoir identifié et caractérisé les différentes stations, l’estimation de la quantité de boues produites annuellement dans chaque station s’est faite selon la méthode du bilan massique spécifique par procédé en utilisant l’équation (3.1):

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Avec:

Qb: Quantité estimée de boue, exprimée en tonne de Matières sèches par an (tMS.an-1) ;

qMSEH/j: Quantité estimée de matières sèches produites par équivalent habitant par jour selon le type de procédé de traitement (g) (cf. Tableau 2.1) ;

NEH: Nombre d’équivalent habitant raccordé à la station d’épuration.

3.3 Démarche Expérimentale de la Valorisation des Boues en Laboratoire

Pour répondre à l’objectif de l’étude, les travaux en laboratoire ont été divisés en trois grandes parties (Figure 3.2). Tout d’abord une caractérisation plus ou moins complète des matières premières (argile et boue) a été réalisée. Cette caractérisation avait pour but d’avoir une réelle compréhension sur le comportement de ces matières premières afin de pouvoir apprécier celui des produits finis. Dans un deuxième temps, les éprouvettes ont été confectionnées. Pour cette partie, il a fallu mettre au point une série de huit formulations avec différents ratios boue/argile et de vérifier par la suite les propriétés physico-mécaniques des éprouvettes pour chaque formulation afin de les comparées aux valeurs réglementaires de la norme française NF P 13-304. Enfin, la troisième a consisté à une évaluation environnementale de la formulation retenue afin de vérifier que les briques produites étaient satisfaisantes d’un point de vue environnemental.

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Figure 3.2: Démarche expérimentale

3.3.1 Analyses des matières premières

L’analyse des matières premières (boue et argile) s’est effectuée au laboratoire d’analyse de la MIPROMALO.

Echantillonnage en laboratoire

L’échantillonnage se fait dans le but de réaliser les différents essais sur une fraction représentative de l’ensemble du matériau. L’échantillonnage s’est fait par l’opération de quartage qui consiste à séparer l’échantillon en quatre parties (Figure 3.3). L’échantillon initialement disposé en tas est étalé et partagé en quatre quarts sensiblement égaux. On élimine deux fractions opposées et on réunit les deux autres fractions. Si la quantité est encore trop importante, le quartage se poursuit selon le même processus jusqu’à l’obtention de la quantité désirée.

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Figure 3.3: Etapes de l’opération de quartage (Source: Saad (2012)) Caractérisation des matières premières

La caractérisation des matières premières a consisté à:

– la détermination de la masse volumique apparente, la masse volumique absolue, la granulométrie, l’argilosité, la teneur en matière organique, la composition chimique et minéralogique pour le matériau argileux ;
– la détermination de la teneur en eau et de la siccité après séchage, le pH, la teneur en matière organique, la composition chimique, la teneur en métaux lourd et de la fraction de métaux mobilisables en ce qui a concerné les boues.

Caractérisation du matériau argileux

Le matériau argileux ayant fait l’objet de l’étude a été extrait dans la localité d’Etoa, une zone situé à 4 km au Sud – Ouest de la ville de Yaoundé, et se trouvant entre les vallées du Mfoundi au Nord et de la Mefou au Sud (Figure 3.4).

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Figure 3.4: Site d’extraction du matériau argileux (Source: Ngon Ngon (2007))

Masses volumiques apparente et réelle

- Masse volumique apparente

La masse volumique apparente d’un matériau est le rapport entre sa masse et son volume à l’état apparent (y compris les vides). Elle a été déterminée par la méthode à la paraffine conformément à la procédure de la norme NF P 98 – 250 – 6 (1991).

Procédure

Un échantillon du matériau argileux de forme quelconque (Figure 3.5a) a été obtenu et pesé au préalable à l’aide d’une balance (m1). Après pesage, il a été complètement enduit de paraffine préalablement fondue (Figure 3.5b) et laissé refroidir à l’air ambiant. Après refroidissement de la paraffine, l’échantillon paraffiné est pesé à nouveau (m2) et inroduit dans une éprouvette graduée contenant un volume d’eau connu. On note ainsi le volume d’eau déplacé (V) dans l’éprouvette. La masse volumique apparente de l’échantillon est déterminée par l’équation (3.2):

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Avec:

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a) Echantillon non paraffiné

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b) Echantillon enduit de paraffine

Figure 3.5: Préparation de l’échantillon d’argile pour la détermination de la masse volumique apparente

- Masse volumique réelle

La masse volumique réelle d’un matériau est le rapport entre la masse de matériau sèche et son volume réel (vide exclus). Elle a été déterminée selon la méthode au pycnomètre à eau conformément à la norme NF P 94 – 054 (1991).

Procédure

Un pycnomètre de 250 ml préalablement séché à l’étuve a été sélectionné et pesé à vide (m1). Ensuite, 25 g de poudre de matériau obtenu par tamisage sur un tamis d’ouverture de maille 1mm et séché à l’étuve, est introduit dans le pycomètre. L’ensemble (poudre de matériau + pycnomètre) est pesé par la suite (m2). Ensuite, le pycnomètre est rempli de moitié d’eau distillée et l’ensemble est chauffé afin dégager les bulles d’air. Le chauffage est arrêté une fois que l’eau est portée à ébullition. Ensuite, le pycnomètre est rempli d’eau distillée jusqu’à la graduation 250 ml et l’ensemble est à nouveau pesé (m3). Après pesage, le pycnomètre est vidé de son contenu, nettoyé, séché à l’étuve et ensuite rempli d’eau distillée jusqu’à la graduation 250 ml et pesé par la suite (m4). La masse volumique réelle de l’échantillon a été déterminé ainsi par la relation:

La densité réelle est déterminée par l’équation (3.3):

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Analyse granulométrique

L’étude de la distribution de la taille des particules de l’échantillon d’argile a été réalisée en deux étapes:

Etape 1: Analyse granulométrique par voie sèche

L’analyse granulométrique par tamisage s’est réalisée conformément à la norme NF P 94 – 056 (1996) pour les particules de diamètre supérieur à 80 μm. L’essai consiste à laver et à tamiser 400 g de matériaux à l’aide d’un tamis d’ouverture de mailles de 80 μm. Les refus sont collectés et séchés à l’étuve pendant 24 heures tandis que le tamisât est laissé décanté jusqu’à l’obtention d’une masse fine qui est également placée à l’étuve pendant 24 heures. Après séchage, l’ensemble des refus a été par la suite pesé et introduit dans le tamis supérieur d’une série de tamis classés par ordre décroissant de dimensions de mailles (1000 μm, 500 μm, 400 μm, 200 μm, 250 μm, 125 μm, 80 μm) et l’ensemble est mis sous vibration pendant environ 5 minutes sur une colonne vibrante (Figure 3.6a). Ensuite, le tamis supérieur est sorti de la colonne et agité au-dessus d’un plateau propre de manière à faire traverser tous les éléments de dimensions inférieures à celles de la maille. On pèse ensuite le refus tandis que le tamisât est ajouté au contenu du tamis suivant ; L’opération est reprise avec le deuxième tamis et le nouveau refus est placé sur la balance avec le premier, le nouveau tamisât est versé sur le troisième tamis. Cette opération est poursuivie pour tous les tamis pris dans l’ordre des ouvertures décroissantes. On pèse les refus cumulés des différents niveaux de la colonne de tamis, le tamisât présent sur le fond de la colonne est également pesé. La somme des refus cumulés mesurés sur les différents tamis et du tamisât du fond doit coïncider avec le poids de l’échantillon introduit initialement en tête de colonne.

Etape 2: Analyse granulométrique par sédimentométrie

L’analyse granulométrique par sédimentométrie (Figure 3.6b) a été effectuée selon la norme NF P 94 – 057 (1996) sur un échantillon de 40 g de particules sèches, prélevées dans le tamisât de tamis de mailles 80 à 100 μm au cours de la granulométrie par voie sèche.

Après étuvage de la masse fine obtenue par décantation du tamisât, 40 g de matériau sont désagrégés avec un pilon en caoutchouc puis homogénéiser. Ensuite, le matériau est introduit dans une éprouvette d’un litre contenant 440 cm3 d’eau distillée. On y ajoute 60 cm3 de solution défloculante (hexamétaphosphate de sodium) puis on laisse l’ensemble au repos pendant environ 15 heures. Ensuite, la suspension est dispersée par agitation pendant au moins trois minutes (agitateur mécanique), puis transvaser dans une éprouvette d’un litre. Evidemment, les eaux de rinçage de l’agitateur et du récipient d’expérimentation de la dispersion sont versées dans l’éprouvette avec de l’eau déminéralisée ou distillée. La mesure de la taille des particules sédimentées selon la loi de Stokes est effectuée à l’aide d’un densimètre gradué à des intervalles de temps réguliers de 30 secondes, 1 min, 2 min, 5 min, 10 min, 20 min, 40 min, 80 min, 240 min, et 1440 min, mesurés à l’aide d’un chronomètre.

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a) Colonne de tamis (vibro – tamis) b) Sédimentométrie

Figure 3.6: Analyse granulométrique du matériau argileux

Argilosité

i . Limites d’Atterberg

Les Limites d’Atterberg ou de consistance permettent de caractériser les différents états d’un sol fin suivant sa teneur en eau. Dans cette étude, nous avons opté pour la méthode dite "limites d’Atterberg" et qui vise à définir les seuils de passage entre l’état solide et plastique. Les limites de liquidité et de plasticité ont été déterminées conformément aux procédures de la norme NF P 94 – 051 (1993).

- Préparation de l’échantillon

On prélève une masse d’échantillon de 500 g de sol que l’on laisse tremper dans l’eau pendant 24 heures afin de désagréger les particules. Ensuite, cet échantillon est lavé au moyen d’un tamis d’ouverture de mailles de 400 μm. Le tamisât est recueilli et laissé décanter totalement. Ensuite, la masse d’échantillon décantée (pâte murie) est ainsi récupérée et passée aux essais.

- Détermination de la limite de liquidité avec l’appareil de Casagrande

La limite de liquidité est la teneur en eau à laquelle le sol passe de la consistance liquide à la consistance plastique à mesure qu'il sèche, ou de la consistance plastique à la consistance liquide à mesure qu'il s'imprègne d'eau. La limite de liquidité a été obtenue de la manière suivante:

– une quantité d’environ 70 g de pâte murie a été étalée dans la coupelle de Casagrande de façon à obtenir une couche d’environ 1 cm d’épaisseur au milieu en épousant quelque peu l’arrondi de la coupelle ;
– à l’aide de l’outil à rainurer, on partage la pâte dans la coupelle en deux parties égales, séparées par une rainure en V ayant au fond de la coupelle exactement 2 mm de largeur (Figure 3.7a ) ;
– ensuite, on fixe la coupelle sur l’appareil de Casagrande en veillant à ne souiller ni la coupelle ni le socle à proximité de leur point de contact puis on laisse tomber la coupelle sur le socle d’une hauteur de 10 mm en observant le fond de la rainure et en comptant le nombre de chocs nécessaires pour que celle-ci se referme sur 1 cm environ ;
– l’opération est reprise quatre à cinq fois avec des teneurs en eau décroissantes et de telle manière que le nombre de chocs à chaque essai soit compris entre 15 et 35.
– si le nombre de chocs (n) est inférieur à 15, on laisse sécher encore un peu ;
– si le nombre de chocs (n) est supérieur à 35, on humidifie légèrement et on homogénéise bien le sol avant de reprendre l’essai. L’échantillon doit avoir une teneur en eau légèrement supérieure à la limite de liquidité afin de pouvoir observer une fermeture du sillon en 15 coups environ.

Par définition, la limite de liquidité est la teneur en eau qui correspond à la fermeture de la rainure sur 1 cm de longueur en 25 chocs.

Pour chaque essai avec 15 ≤ n ≤ 35, on détermine la teneur en eau par l’équation (3.4):

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Avec:

ω: Teneur en eau exprimé en pourcentage (%) ;

W: Poids de l’échantillon humide y compris la tare (g) ;

Wd: le poids de l’échantillon sec, y compris la tare (g) ;

T: Poides de la tare (g) ;

L’expression des résultats de la limite de liquidité est déterminée à partir de la représentation graphique de la teneur en eau (ω) mesurée à chaque essai, en fonction du logarithme du nombre de coups correspondant. La limite de liquidité est la teneur en eau lue sur le graphique pour n = 25 coups. Elle s’exprime en pourcentage arrondi à l’unité près.

- Détermination de la limite de plasticité

La limite de plasticité est la teneur en eau à laquelle le sol passe de la consistance plastique à la consistance semi-solide à mesure qu'il sèche, ou de la consistance semi – solide à la consistance plastique à mesure qu'il s'imprègne d'eau.

La limite de plasticité est inférieure à la limite de liquidité. Il faut donc laisser sécher l’échantillon plus longtemps. Lorsque la teneur en eau est correcte, on pétrit une boulette de mortier (environ 12 mm de diamètre) et on en fait un cylindre en le roulant sur une plaque de marbre propre, lisse et sèche. On effectue un mouvement alternatif d’environ un aller et retour par seconde et on confectionne à la main un cylindre de 3 mm (Figure 3.7b).

Si ce dernier se brise avant d’atteindre ce diamètre, la teneur en eau est trop faible ; s’il ne se brise pas, il est soulevé en son milieu à une hauteur de 15 à 20 mm et si la rupture se produit, on a atteint la limite de plasticité. La limite de plasticité est atteinte si la rupture se produit pendant ce soulèvement. Si la rupture ne se produit pas, on laisse la teneur en eau diminuer. Lorsqu’il a été probant, l’essai est renouvelé pour le confirmer. A ce moment on rassemble les morceaux du rouleau dans un flacon préalablement taré que l’on place à l’étuve à 105 °C pendant 24 heures. On recommence l’essai sur une deuxième partie de l’échantillon prélevé de la pâte mûrie. La limite de plasticité est déterminée par l’équation (3.5):

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Avec:

Wp: Limite de plasticité (% décimal) ;

T: Masse de la tare (g) ;

W: Masse de l’ensemble tare et morceaux du rouleau cylindrique brisé (g) ;

Wd: Masse de l’ensemble tare et morceau du rouleau après étuvage (g).

Si les deux valeurs de la teneur en eau obtenues ne diffèrent pas de plus de 1 %, on prend la moyenne arithmétique de ces valeurs comme limite de plasticité de l’échantillon.

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a) Exécution de la rainure dans la coupelle b) Formation du cylindre

Figure 3.7: Détermination des limites d’Atterberg

- Indice de plasticité

L’indice de palsticité représente l’intervalle entre la limite de liquidité et la limite de plasticité. Il a été déterminé par l’équation (3.6):

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Avec:

lp: Indice de plasticité (%) ;

WL: Limite de liquidité (%) ;

Wp: Limite de plasticité (%).

ii . Valeur au bleu de méthylène (VBS)

La structure cristalline des argiles leur confère un ensemble de propriétés de comportements liés à leur affinité pour l’eau, ce qui entraîne les phénomènes de retrait/gonflement, de plasticité et de cohésion observés (Dupain et al., 2000). L’essai au bleu de méthylène permet d’apprécier d’une manière globale l’activité de la fraction argileuse d’un sol en mesurant la surface interne et externe des grains argileux. Pour ce faire, on fixe sur les grains d’argile, des molécules de bleu de méthylène et on évalue la quantité de bleu fixé. On en déduit la valeur au bleu du sol (VBS), qui est un indicateur essentiel dans la classification des sols. La valeur au bleu a été déterminée conformément à la norme NF P 94 – 068 (1993) et la classification correspondante à l’aide des valeurs données par le guide des terrassements routiers (Hadj, 2013) présenté en Annexe 3.

Procédure

60 g de matériau de la fraction 0/2 mm ont été prélevés et introduit dans un bécher. On ajoute 500 ml d’eau distillée et l’ensemble est agité à l’aide d’un agitateur magnétique à une vitesse de 400 tr/min pendant au moins 5 minutes. On injecte ensuite 5 ml de solution de bleu de méthylène à l’aide d’une burette graduée. Au bout d’une minute, on effectue le test de la tache sur un papier filtre de la manière suivante:

- On prélève à l’aide d’une baguette de verre, une goutte de suspension que l’on dépose sur le papier filtre et on observe la tache formée qui se compose d’un dépôt central de matériau, coloré d’un bleu sombre, entouré d’une zone humide incolore. La goutte prélevée doit être telle que le diamètre du dépôt soit compris entre 8 et 12 mm.
- Le test est dit positif si, dans la zone humide, apparaît autour du dépôt central une auréole bleu clair persistante.
- Le test est dit négatif si l’auréole est incolore. Dans ce cas, il faut alors rajouter 5 ml de solution de bleu de méthylène. Lorsque le test est positif, laisser s’opérer l’adsorption du bleu, qui n’est pas instantanée, tout en effectuant des tests de minute en minute sans ajout de solution. Si l’auréole bleu clair disparaît à la cinquième minute, procéder à de nouvelles injections de solution de bleu de 2 ml. Chaque addition est suivie de tests effectués de minute en minute. Renouveler l’opération jusqu’à ce que le test demeure positif pendant cinq minutes consécutives: le dosage est alors terminé. La valeur au bleu est déterminée par l’équation (3.7):

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Avec:

VBS: Valeur au bleu de méthylène (g.100g-1) ; V: Volume total de bleu adsorbé (ml) ;

m: Masse de la prise d’essai (g).

iii. Surface spécifique totale

La surface spécifique totale a été calculée à partir de la valeur au bleu à l’aide de l’équation (3.8) (Santamarina et al., 2002):

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Avec:

Sp: Surface spécifique totale (g.m-2) ;

FC: Facteur de correction ≈ 20, 94 ;

VBS: Valeur au bleu de méthylène (g.100g-1).

Teneur en matière organique: méthode par perte au feu (PF)

La teneur en matière organique a été déterminée suivant la méthode de la perte au feu conformément à la norme NF P 94 – 047 (1998) en prenant 5 g de l’échantillon broyé que l’on introduit dans une coupelle. L’ensemble est pesé (m1) et calciné à 800 °C par la suite dans un four pendant une heure. Après calcination, l’ensemble est laissé refroidir dans un dessiccateur pendant 10 minutes puis pesé par la suite (m2). La teneur en matière organique a été déterminée ainsi par l’équation (3.9):

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Avec:

MO: Teneur en matière organique (%) ;

m0: Masse de la tare (g) ;

m1: Masse de l’échantillon avant calcination y compris la tare (g) ;

m2: Masse de l’échantillon y compris la tare après calcination (g).

Analyse minéralogique par DRX

Cette analyse a été réalisée par une diffraction aux rayons X (DRX) qui fait ressortir la nature des minéraux cristallisés présents dans un échantillon préalablement séché et broyé en poudre. L’analyse a été conduite au moyen d’un diffractomètre aux Rayons X de marque Bruker et de type D8 ADVANCE (Figure 3.8a), muni d’une anticathode en cuivre, d’un porte échantillon tournant, avec une vitesse de numérisation de 0.01° 2θ.s-1. La tension d’accélération est de 40 kV et l’intensité est de 40 mA. Le principe de la diffraction est donné par Klug et Alexander (1974).

Analyse chimique par fluorescence X

L’analyse par fluorescence aux rayons X permet de quantifier (en pourcentage massique) les composants chimiques élémentaires principaux. Dans cette étude, l’analyse chimique du matériau argileux a été réalisée par fluorescence aux rayons X sur un appareil de marque Bruker et de type S4 Pioneer (Figure 3.8b). Le principe est donné par Jenkins (1932).

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a) Diffractomètre à rayon X b) Spectromètre de fluorescence X

Figure 3.8: Appareils de micro-analyses

Extraction, traitement et caractérsation des boues

Dans le cadre de cette étude, les boues ont été extraites dans la STEP de la cité verte (Figure 3.9). Cette station, de type filtre-planté et hybride, est située entre l’exutoire du camp SIC de la Cité – verte et la rivière Abiergué qui lui sert d’exutoire. Elle occupe une superficie d’environ 4200 m2 et accueille actuellement les effluents de 15 000 équivalent habitants environ.

Choix du lieu de prélèvement

Le choix de la station de la Cité – verte s’est fait surtout pour sa proximité par rapport à la MIPROMALO. Une autre raison importante a été la facilité d’extraction des boues car, les dysfonctionnements observés dans cette station, causent une remontée permanente des boues en surface (Djumyom, 2011).

Choix du procédé de traitement

Dans le cadre de cette étude, nous avons opté pour un traitement par déshydratation solaire des boues selon le procédé de séchage naturel sur lit de sable. Ce système peu onéreux, n’exige pas d’apport d’énergie pour le séchage, l’unique source étant l’énergie solaire qui est gratuite. En plus, il ne nécessite aucune technicité spécifique pour sa mise en œuvre. Malgré sa forte dépendance aux conditions atmosphériques, il permet d’obtenir le plus souvent, des boues sèches à une siccité élevée (parfois plus de 50 %) selon la durée de séchage (Atlan, 2002).

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a) Entrée de la STEP b) Filtres plantés d’ Echinochloa pyramidalis

Figure 3.9: STEP de la Cité-verte

Préparation du site de séchage des boues

Avant l’extraction des boues, il a été nécessaire de prévoir initialement le dispositif de séchage. Pour ce faire, la préparation du site n’a consisté qu’en la reconstitution d’un lit de séchage expérimental de 9 m2 jadis construit et abandonné à l’extérieur de la STEP.

La reconstitution du lit (Figure 3.10) a consisté premièrement à le débarrasser de toutes herbes et de quelques bribes de refus de dégrillage en décomposition. Ensuite, les différentes couches constitutives du lit de séchage ont été ainsi remises à niveau en utilisant d’abord 300 litres (05 brouettes) de gravier 5/15 étalés sur toute la surface et ensuite, 500 litres (10 brouettes) de sable sanaga, étalés également sur toute la surface pour former la couche superficielle.

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a) Nettoyage du lit

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b) lit débarrassé de tout débris

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c) Collecte du gravier

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f) Lit de séchage prêt

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e) Collecte du sable

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d) Etalage du gravier

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Figure 3.10: Etapes de la reconstitution du lit de séchage

Extraction et séchage des boues

Après avoir mis en place le lit de séchage, les boues à l’état pâteux ont été extraites moyennant une pelle, dans le décanteur primaire de la station et introduites immédiatement dans un sceau de 80 litres puis, transportées dans une brouette jusqu’au lit de séchage (Figure 3.11). Vu la nocivité de ces matières, il a été d’une nécessité de se protéger (gants, bottes, combinaison, cache-nez).

Collecte et analyse des boues séchées

Deux mois après épandage sur le lit (temps mis pour le séchage), les boues à l’état sec ont été collectées et transportées au laboratoire d’analyse des matériaux de la MIPROMALO (Figure 3.12). Les analyses ont consisté en la détermination de la teneur en eau et de la siccité, le pH, la teneur en matière organique totale, l’analyse chimique, la teneur totale en métaux lourds et la fraction de métaux susceptibles d’être mobilisés.

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a) Extraction des boues

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b) Boues fraîches

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c) Transport des boues

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f) Boues en séchage

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d,e) Epandage des boues

Figure 3.11: Extraction et séchage des boues

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a) Boues sèches b) Collecte des Boues sèches c,d) Transport des boues au laboratoire

Figure 3.12: Collecte et transport des boues sèches au laboratoire

Caractérisation des boues

i. Teneur en eau et siccité

La teneur en eau des boues après séchage a été déterminée selon la norme NF P 94 – 050 (1995) en plaçant à l’etuve réglée à 105 °C, pendant 24 heures, un échantillon de boue préalablement pesé (Ww). Après séchage à l’étuve, l’échantillon est pesé à nouveau (Wd) et la teneur en eau est calculée par l’équation (3.10):

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Avec:

Mcwb: Teneur en eau (%) ;

Ww: Poids humidue (g) ;

Wd: Poids sec (g).

Haoua (2007) a défini la siccité comme étant le pourcentage massique de matières sèches dans les boues. Elle a été déterminée par l’équation (3.11):

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Avec:

S: siccité (%) ;

Mcwb: teneur en eau (%).

ii . pH

La détermination du pH des boues s’est faite selon la norme internationale ISO 10390 (1994). Cette méthode a consité a préparer une suspension en mélangeant une quantité de boue dans cinq fois son volume d’eau distillée. La suspension est agitée sur un agitateur magnétique pendant cinq minutes puis laissée au repos pendant au moins deux heures mais pas plus de 24 heures. Après ce temps, la lecture du pH s’est fait en utilisant un pH- mètre électronique à électrodes.

iii . Teneur en matière organique: méthode par perte au feu

La teneur en matière organique des boues s’est également effectuée suivant la procédure de la norme NF P 94 – 047 (1998).

iv. Analyse chimique

L’analyse chimique des boues s’est faite également par FX.

v. Teneur en métaux lourd

La teneur en métaux lourds des poudres de boue a été déterminée suivant le protocole de la méthode d’analyse ISO 11 460 (Tahraoui, 2013). La méthode a consisté à introduite une masse de 0,5 g de boue préalablement séché à l’étuve pendant 24 heures dans des matras avec 30 ml d’eau régale (1/3 HNO3 concentré + 2/3 HCl concentré). L’ensemble est chauffé à 100 °C jusqu’à évaporation partielle de l’acide puis laissé refroidir à l’air ambiant. Après refroidissement, les solutions sont placées dans des fioles jaugées de 50 ml avec ajout d’eau distillée jusqu’au trait de jauge. Ensuite, elles sont filtrées sur membrane de fibre de verre de diamètre de pore 0,45 μm. Les concentrations en métaux sont mesurées par spectrométrie d’absorption atomique (SAA) au laboratoire de chimie du sol et de l’environnement de la FASA. Les métaux dosés sont ceux qui ont été identifiés par fluorescence aux rayons X.

vi. Détermination de la fraction de métaux mobilsable des boues

Le but de cette analyse est de déterminer la fraction de métaux susceptibles d’être mobilisés à l’issue d’un test de lixiviation. Les différentes concentrations en métaux dans le lixiviat seront comparées aux « valeurs limites des concentrations en éléments traces de la directive décharge » qui fixent les seuils de l’acceptabilité de la mise en décharge des déchets. L’analyse a consisté en un test de lixiviation à l’eau déminéralisée pendant 24 heures, le rapport liquide/solide étant de 10, conformément à la norme européenne EN 12457 – 2 (2002). A la fin de la lixiviation, l’éluât est filtré au moyen d’un filtre à 0,45 μm et analysé par SAA au laboratoire de chimie du sol et de l’environnement de la FASA .

3.4 Fabrication des Eprouvettes en Laboratoire

L’étude de la valorisation a concerné l’incorporation des boues d’épuration séchées en quantités variables, dans les formulations des pâtes pour la fabrication des briques de terre cuites à l’échelle de laboratoire.

3.4.1 Préparation des matières premières

Avant d’être introduites dans les différentes formulations, l’argile ainsi que les boues séchées, ont été placées à l’étuve à 105 °C pendant 24 heures pour éliminer toute humidité résiduelle et ont été ensuite broyées séparément. Afin de s’assurer de l’uniformité de la distribution des tailles, les poudres d’argile et de boues obtenues après broyage ont été tamisées à l’aide d’un tamis d’ouverture de maille 400 μm (Figure 3.13).

3.4.2 Mise au point des mélanges

Afin de déterminer le pourcentage optimum possible de boues à incorporer dans les mélanges, différents ratios (boue/argile) ont été établis. Pour ce faire, une série de huit formulations, nommées selon le taux d’incorporation de boues a été constituée (B0, B10, B15, B20, B25, B30, B35, B40): la première, nommée B0, contient 100 % d’argile et 0 % de boue (c’est la formulation de référence (notée REF)). Notons que ces différents taux d’incorporations de boues se sont fait sur la base de la masse sèche. Le Tableau 3.1 présente les différentes formulations en fonction du taux d’ajout de boues.

Tableau 3.1: Composition en matières premières des différentes formulations

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a et bQuantités en % massique

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a) Boues d’épuration

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b) Argile Etoa

Figure 3.13: Matériaux broyés et tamisés à 400 μm

3.4.3 Préparation de la pâte

Après avoir constitué les formulations, le mélange à sec de chacune d’elles s’est fait manuellement afin de bien l’homogénéiser. Etant donné que le contrôle de l’humidité est fondamental dans le façonnage pour assurer la constance des propriétés mécaniques du mélange, la quantité d’eau utilisée pour les briques sans ajout de boues (B0) est de 12 % tandis que celle utilisée pour les briques avec ajout de boues varie entre 14 et 16 % (selon la formulation). Le Tableau 3.2 montre les quantités d’eaux utilisées pour la préparation des pâtes de chaque formulation.

Tableau 3.2: Quantité d’eau de la pâte pour 01 éprouvette de chaque formulation

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a Quantité d’eau en %

b Quantité d’eau en ml

3.4.4 Confection des éprouvettes de briques

Deux séries d’éprouvettes obtenues par pressage à l’aide d’une presse hydraulique manuelle ont été établies. La première est constituée d’éprouvettes cubiques de 4 cm de côté tandis que la seconde, d’éprouvettes cylindriques de 7 cm de diamètre et de 1,5 cm de hauteur conformément à la norme NF P 13 – 304 (1983). Afin de déterminer les masses nécessaires à la confection d’une éprouvette cubique de 4 cm et d’une éprouvette cylindrique, des essais ont été réalisés en pressant successivement des quantités de masses variables et en mesurant les dimensions des éprouvettes obtenues. Pour la confection d’une éprouvette cubique de 4 cm de côté, une masse de 120 g de matières a été nécessaire tandis que 100 g ont été utilisés pour la confection d’une éprouvette cylindrique. Le nombre total d’éprouvettes fabriquées pour chacune des formulations a été de 15 pour la série cubique et cinq pour celle cylindrique.

3.4.5 Séchage

Le séchage est une phase délicate et importante de la fabrication qui peut influencer la qualité des produits en terre cuite (Samara, 2007). Après confection, les éprouvettes de briques ont été laissées séchées pendant 72 heures à températures ambiantes du laboratoire (T ≈ 20 ± 5 °C) et HR ≈ 60 ± 5 % (Figure 3.14), puis à l’étuve à 105 °C jusqu’à poids constant afin d’éliminer l’humidité résiduelle présente, qui pourrait causer des fissures pendant la cuisson.

3.4.6 Cuisson

La cuisson est la phase finale du processus de fabrication des briques cuites et qui doit être suivie avec attention afin d’éviter les casses. Les travaux de Ngon Ngon (2007) réalisés sur le matériau argileux d’Etoa (argile Etoa) ont montré que cette argile obtenait de véritables propriétés céramiques à une température de cuisson de 1050 °C.

La cuisson des éprouvettes de briques s’est faite dans un four électrique de laboratoire programmable (Figure 3.15) avec une augmentation de température de 100 °C à une vitesse de 5 °C.min-1 jusqu’à la température maximale de 1050 °C. Les éprouvettes restent à cette température maximale pendant deux heures au bout desquelles, la température redescend progressivement.

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Figure 3.14: Séchage des éprouvettes à température ambiante du laboratoire

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a) Four

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b et c) Eprouvettes cuites à 1050 °C

Figure 3.15: Cuisson des éprouvettes

3.5 Analyses et Tests de Caractérisation des Eprouvettes

Des séries d’inspections et tests ont été réalisées afin de déterminer les propriétés physiques (retrait linéaire, perte de masse, densité apparente et absolue, absorption d’eau, succion, efflorescence) et mécaniques (résistance à la compression) des éprouvettes. Pour s’assurer ainsi du respect de la réglementation concernant les briques cuites, nous avons utilisé la norme française NF P 13 – 304 (1983) que nous avons complétée par quelques paramètres obtenus de la littérature.

3.5.1 Détermination des propriétés physiques

Retrait linéaire

Selon Martinez et al. (2012) le retrait linéaire sur l’ensemble des éprouvettes de chaque formulation a été obtenu en mesurant le côté de chaque éprouvette cubique avant et après l’étape de cuisson à l’aide d’un pied à coulisse de précision ± 0,01 mm. Il a été calculé par l’équation (3.12):

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Avec:

Rt: Retrait linéaire (%) ;

lo: Longueur du côté de l’éprouvette avant cuisson (cm) ;

li: Longueur du côté de l’éprouvette après cuisson (cm).

Perte de masse

Communément appelée perte au feu après cuisson, elle a été obtenue pour chaque éprouvette de différente formulation en faisant la différence entre la masse (m1) de chaque éprouvette de brique ‘crue’, après l’étape de séchage à 105 °C à l’étuve, et celle (m2) après cuisson à 1050 °C. Selon Martinez et al. (2012), la perte de masse exprimée en pourcentage est déterminée par l’équation (3.13):

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Avec:

Pm: Perte de masse exprimée en pourcentage (%) ;

m1: Masse de l’éprouvette ‘crue’, après l’étape de séchage (g) ;

m2: Masse de l’éprouvette après l’étape de cuisson (g).

Masses volumiques apparente et absolue

La masse volumique d’une brique en terre cuite est un paramètre important pour son utilisation dans la construction (Samara, 2007). Le Tableau 3.3 donne les valeurs usuelles des masses volumiques apparente et absolue des briques cuites.

Tableau 3.3: Gammes des masses volumiques apparente et absolue usuelles des briques cuites

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Source: Samara (2007)

a Masse volumique apparente (g.cm-3)

b Masse volumique absolue (g.cm-3)

Masse volumique apparente

La masse volumique apparente a été déterminée selon la norme NF P 98 – 250 – 6 (1991) en faisant le rapport entre la masse de l’éprouvette et son volume apparent. Pour ce faire, cinq éprouvettes de briques de chaque formulation ont fait l’objet du test et la masse volumique apparente a été déterminée par l’équation (3.14):

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Masse volumique absolue

La masse volumique absolue des éprouvettes a été déterminée en utilisant la méthode de l’éprouvette graduée conformement à la norme NF P18 – 555. La méthode consiste à introduire dans une éprouvette graduée contenant au préalable un volume V d’eau connu, une éprouvette préalablement sécher à l’étuve pendant 24 heures (ms). L’éprouvette y est maintenue jusqu’à la saturation. Après saturation de l’éprouvette, le volume d’eau déplacée dans l’éprouvette est noté (V) et la massse volumique absolue a été est déterminée par l’équation (3.15).

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Pour ce test, cinq éprouvettes de chaque formulation ont été utilisées.

Absorption d’eau

Le test à consister à immerger totalement dans de l’eau déminéralisée pendant 24 heures à température ambiante du laboratoire (T ≈ 20 ± 5 °C), et sous pression atmosphérique, cinq éprouvettes de chaque formulation (Figure 3.16a), préalablement séchées à l’étuve à 105 °C pendant 24 heures, laissées refroidir dans un dessiccateur puis pesées par la suite (m0). Après immersion, les éprouvettes saturées ont été nettoyées légèrement en surface à l’aide d’un chiffon humide et pesées (m1). Selon Martinez et al. (2012), l’absorption d’eau est calculée par l’équation (3.16):

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La succion d’eau

La succion d’une brique cuite est un paramètre de durabilité très important (Martinez et al., 2012). La succion d’une brique cuite représente le volume d’eau absorbé pendant un temps très court d’immersion partielle de cette brique. Ce test a été réalisé sur trois éprouvettes de chaque formulation selon la procédure décrite par Martinez et al. (2012). Il consiste en effet à immerger dans de l’eau pendant une minute, et à température ambiante du laboratoire, une hauteur d’un centimètre d’éprouvette préalablement séchée à l’étuve (Figure 3.16b). La succion a été déterminée par l’équation (3.17):

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a) Test d’absorption d’eau

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b) Test de succion

Figure 3.16: Test d’absorption et de succion d’eau

Efflorescence

La présence d'efflorescence sur les matériaux en céramique, tels que les briques, est considérée comme un défaut. Aucune solution n'a encore été trouvée pour éliminer complètement ce phénomène, sauf dans le cas où les matières premières sont choisies avec précaution (Samara, 2007). Le phénomène de l'efflorescence est dû à la présence, en petites quantités (1 %), des sels solubles dans la matière première et qui migrent, en présence d’humidité, du cœur d’un produit poreux vers la surface extérieure (Bardin, 1971 cité par Samara, 2007). En principe, tous les sels hydrosolubles sont susceptibles de former des efflorescences. Dans la terre cuite les sels les plus fréquents sont:

– la chaux (CaO), faiblement soluble et qui, en présence du CO2 se transforme en calcaire blanc insoluble et adhérent ;
– les autres sulfates sont donnés dans le Tableau 3.4.

Tableau 3.4: Sulfates les plus fréquents qui provoquent des efflorescences

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Source: Kornmann (2005) cité par Samara (2007)

a Fraction soluble en mg.l-1

Procédure

Le test a été effectué sur trois éprouvettes cylindriques de chaque formulation n’ayant été soumises à aucun autre essai ou traitement préalable et selon le protocole décrit par Samara (2007). Le test a consité à placer dans un récipient individuel une éprouvette de chaque formulation, de telle sorte qu’elle soit disposée verticalement suivant sa plus grande dimension et que sa base soit immergée d’environ 2 cm dans de l’eau déminéralisée. Afin de limiter l’évaporation d’eau, on utilise une feuille de plastique présentant une ouverture à travers laquelle passe le produit et de telle sorte qu’au moins la moitié de la hauteur de cette éprouvette se trouve à l’air libre (Figure 3.17). Le dispositif est conservé durant quatre jours à température ambiante du laboratoire (20 ± 5 °C et HR ≈ 60). Au terme de ce délai, on place l’ensemble pendant 24 heures au moins dans une étuve réglée à 60 °C. Si des efflorescences sont apparues, on passe sur les parties correspondantes, à trois reprises, une éponge végétale humide, sans exercer de pression excessive et on note si les efflorescences ont disparu.

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Figure 3.17: Test d’efflorescence par immersion partielle des éprouvettes cylindriques

3.5.2 Détermination des propriétés mécaniques

Résistance à la compression

La résistance à la compression est une caractéristique déterminante pour la capacité d'un matériau à être employé dans la construction ; on le considère comme un bon indicateur de qualité. Les essais de compression simple (uniaxiale) ont été réalisés selon le mode opératoire décrit par Martinez et al. (2012) sur sept éprouvettes de chaque formulation préalablement séchées à 105 °C pendant 24 heures. Le test a été réalisé au moyen d’une presse électrique automatique de marque ELE International munie d’un capteur de force et d’une capacité de 30 kN et avec une vitesse de déplacement du plateau inférieur de 10 mm/min. Les éprouvettes dont la section (S) a été initialement calculée sont successivement placées, selon leur sens de pose, au centre du plateau inférieur (Figure 3.18). Elles sont ainsi comprimées jusqu’à la rupture, la force correspondant (FR) est lue directement sur sur le capteur de force et la valeur de la résistance à la compression a été calculée par l’équation (3.18):

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a) Presse électrique

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b) Capteur de force

Figure 3.18: Appareils pour mesure de la résistance à la compression

3.6 Evaluation Environnementale des Eprouvettes de la Formulation Retenue

L’étude environnementale a été conduite au sein du laboratoire de chimie du sol et de l’environnement de la Faculté d’Agronomie et des Sciences Agricoles de l’Université de Dschang (FASA). Cette évaluation n’a consisté qu’en des tests de lixiviations simples, réalisés selon le mode de lixiviation en batch et conformément à la procédure européenne EN 12457 – 2 (2002) et américaine (TCLP).

3.6.1 Procédure de lixiviation selon la norme européenne EN 12457 – 2

Description de la procédure

Afin de déterminer le potentiel de relargage des métaux, trois éprouvettes de la formulation retenue n’ayant été soumises à aucun autre essai ont été sélectionnées au hasard, puis broyées et les particules ont été bien homogénéisées, et tamisées par la suite à l’aide d’un tamis d’ouverture de maille 4 mm. Après tamisage, une masse de poudre de matériau, de granulométrie inférieure à 4 mm a été mesurée et agtitée pendant 24 heures sur un agitateur électrique dans de l’eau distillée et selon un rapport liquide/solide de 10. Le lixiviat a été ensuite récupéré en filtrant l’éluât au moyen d’un filtre de 0,45 μm et analysé par spectromètrie d’absorption atomique (SAA) (Annexe 5).

3.6.2 Procédure de lixiviation selon la norme américaine: Toxicity Characteristic

Leaching Procedure (TCLP)

Cet essai est caractérisé comme étant plus agressif, car le lixiviant utilisé est un acide. La quantité de métaux lourds extraits une fois que les échantillons sont en contact avec l’acide est plus importante (Chen, 2012).

Description de la procédure

L’essai TCLP est considéré comme un essai plus représentatif des conditions de faibles pH (Samara, 2007). Selon cette procédure, nous avons également sélectionné au hasard, trois éprouvettes de la formulation retenue que nous avons également broyées, homogénéiser et tamiser les particules sur un tamis d’ouverture de maille 1 mm. Une masse de matériau de granulométrie inférieure à 1 mm a été agitée pendant 24 heures dans une solution d’acide acétique (pH = 2,8) et selon un rapport liquide/solide de 20. Le lixiviat a été ensuite récupéré en filtrant l’éluât au moyen d’un filtre de 0,45 μm et analysé par SAA (Annexe 5).

CHAPITRE 4.0 RESULTATS ET DISCUSSIONS

4.1 Quantification de la Production de Boues d’Epuration dans la Ville de Yaoundé à l’Horizon 2020

Le Tableau 4.1 présente le récapitulatif de toutes les stations d’épuration domestiques que comptera la ville de Yaoundé en 2020, le Tableau 4.2 donne la production de boues actuelle et future dans la ville de Yaoundé et la Figure 4.1 montre la répartition spatiale de ces stations dans l’espace urbain Yaoundé.

Tableau 4.1: Différentes STEP d’eaux usées domestiques dans l’espace urbain de Yaoundé en 2020

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Source: MINHDU (2015)

*STEP en projet de réhabilitation en 2015

** STEP en projet de construction d’ici 2016

Tableau 4.2: Quantité estimée de boues dans la ville de Yaoundé par les stations en service et celles en projet

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*STEP en projet de réhabilitation en 2015

** STEP en projet de construction d’ici 2016

a Quantité de boues en tonnes de matières sèches par an

Il ressort du Tableau 4.1 qu’en 2020, l’espace urbain de Yaoundé comptera, sept stations d’épuration parmi lesquelles, trois sont déjà en service depuis plus 4 ans déjà: Grand Messa, Cité-verte et Biyem-Assi I (MINHDU, 2015). Le Tableau 4.2 donne les résultats des quantités de boues estimées dans la ville de Yaoundé. Il ressort de ce tableau que les trois stations en sevice depuis quatre ans déjà ont été responsables d’une production cumulée de boues estimées à 17641 tonnes de matières sèches qui, probablemement ont été réjettées dans le milieu environnant à cause de l’absence d’une filière de gestion de ces boues dans lesdites stations d’épuration. En plus, en se servant des valeurs de la production annuelle de boues estimées présentées dans le Tableau 4.2, il ressort qu’avec la réhabilitation et la construction de nouvelles stations d’épuration, le potentiel de production de boues dans la ville de Yaoundé pourra atteindre les 6 2002 tonnes de matières sèches environ d’ici 2020. Ceci justifie donc l’importance d’envisager un plan de gestion efficace de ces matières vu leur production en augmentation croissante.

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Figure 4.1: Répartition spatiale des différentes stations dans l’espace urbain de Yaoundé

4.2 Caractérisation des Matières Premières

4.2.1 Caractérisation du matériau argileux

Masses volumiques apparente et absolue

Les résultats des masses volumiques apparente et absolue obtenues, sont présentées dans le Tableau 4.3. La masse volumique apparente du matériau argileux, est de 1,9 g.cm-3. Cette valeur est comparable à la masse volumique d’un sol argileux de consistance moyenne (Hadj, 2013). Par contre, la valeur de la masse volumique absolue du matériau argileux, de 2,66 g.cm-3, est égale à la valeur usuelle pour matériaux normaux qui est de 2,6 g.cm-3 (Hadj, 2013).

Tableau 4.3: Masses volumiques apparente et absolue de l’argile Etoa

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a Masse volumique apparente (g.cm-3) ; b Masse volumique absolue (g.cm-3)

Analyse granulométrique

Le matériau argileux utilisé dans cette étude, est une argile grise des sols hydromorphes de la localité d’Etoa (Ngon Ngon, 2007). Les résultats de l’analyse ganulométrique du matériau argileux d’Etoa sont présentés dans le Tableau 4.4 et la Figure 4.2 représente sa courbe granulométrique. Ces résultats montrent en effet que le matériau argileux d’Etoa est sablo-argilo-limoneux et de granulométrie moyennement grossière (avec la présence de 61,3 % de sable) à fine (avec la présence de 23,9 % d’argile). On note également la présence de très peu de graviers (0,9 %).

Tableau 4.4: Répartition granulométrique en pourcentage du matériau argileux

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Limites d’Atterberg

Les résultats de l’essai à l’appareil de Casagrande obtenus ont permis de définir une limite de liquidité WL de 42,46 %. Les limites de liquidité WL et de plasticité WP, et la valeur de l’indice de plasticité IP, du matériau argileux d’Etoa, sont données dans le Tableau 4.5. Ces résultats classent le matériau argileux d’Etoa parmi les « argiles peu plastiques » sur le diagramme de Casagrande (Figure 4.3).

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Figure 4.2: Courbe granulométrique du matériau argileux d’Etoa

Tableau 4.5: Limites d’Atterberg et indice de plasticité de l’argile Etoa

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a,b,c Limites de liquidité, de plasticité et indice de plasticité respectivement en %

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Figure 4.3: Diagramme de Casagrande (Source: Hadj (2013))

Valeur au bleu de méthylène et surface spécifique totale

Les résultats de la valeur au bleu de méthylène et de la surface spécifique totale du matériau argileux d’Etoa sont données dans le Tableau 4.6. Ces résultats permettent de conclure que les minéraux argileux présents dans le matériau argileux ont un faible à moyen potentiel d’adsorption. Ils sont de type Kaolinite et/ou Chlorite (Tran, 1981). En plus, la valeur de la VBS de 2,1 situe également le matériau argileux dans la catégorie des « argiles peu plastiques » selon la classification du GTR (2000) (Annexe 3), parfaitement en accord avec le résultat observé sur le diagramme de Casagrande (Figure 4.3).

La valeur de la surface spécifique totale du matériau argileux obtenue est de 43,97 g.m-2. Ce résultat, comparé à ceux de la littérature, ne peut pas permettre d’avoir une appréciation du type exact de minéraux argileux présent dans notre matériau. Etant donné que la surface spécifique d’une argile dépend de sa composition minéralogique (Hadj, 2013), ce résultat pourrait être mieux apprécié en le comparant à celui de l’analyse minéralogique.

Tableau 4.6: VBS et surface spécifique totale du materiau argileux d’Etoa

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a VBS (g.100g-1)

b Surface spécifique totale (m2.g-1)

Analyse minéralogique

Les résultats de l’analyse minéralogique de notre matériau argileux, détaillés dans le Tableau 4.7, montrent une prédominance de kaolinite (47 %) et de quartz (24,1 %). On note également la présence de geothite, d’halloysite, d’anatase, de gibbsite, de rutile et de feldspath. La prédominance de kaolinite dans la composition minéralogique du matériau argileux montre en effet que cette argile est de type kaolinitique (Ngon Ngon, 2007). Etant donné que la valeur de la surface spécifique totale de la kaolinite est généralement de l’ordre de 15 g.m-2 (Eslinger et Peaver, 1988), la valeur de la surface spécifique totale obtenue pour notre matériau est de 43, 97 g.m-2 (Tableau 4.6). Cette valeur de la surface spécifique peut être due à la présence de matière organique qui augmente la réactivité des argiles (Hadj, 2013). Le quartz détecté, étant une des phases dominantes dans la composition minéralogique de cette argile, est le minéral caractéristique des sables et des limons qui constitue la fraction granulométrique la plus présente d’après l’analyse granulométrique.

Tableau 4.7: Composition minéralogique de l’argile Etoa (% massique)

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Analyse chimique et perte au feu

Les résultats de l’analyse chimique donnés en pourcentage massique d’oxydes et la perte au feu du matériau argileux d’Etoa sont présentées dans le Tableau 4.8. Les pourcenatges en éléments chimiques présentés dans le Tableau 4.9 et calculés à partir des pourcentages massiques en oxydes montrent que le matériau argileux d’Etoa est en majeure partie constitué d’aluminium (Al), de silicium (Si) et en pourcentage moins important de fer (Fe) et de titane (Ti). Le matériau argileux d’Etoa est composé de 30,3 % d’oxydes métalliques (Oxyde de Calcium CaO, Oxyde de Magnésium MgO, Alumine Al2O3, Oxyde ferrique Fe2O3, Oxyde de sodium Na2O et Oxyde de Potassium K2O) et de 54,94 % de dioxyde de silicium (silice) (Tableau 4.8). Ce composé (dioxyde de silicium) caractérise la fraction sableuse et limoneuse (Hadj, 2013). Etant donc en prédominance dans la composition chimique, ceci reste en parfait accord avec les résultats de l’analyse granulométrique. Le Tableau 4.8 montre également que le matériau argileux contient environ 10,52 % de matières organiques.

Tableau 4.8: Composition chimique (% massique d’oxydes)

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Tableau 4.9: Composition en éléments chimiques du matériau argileux

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4.2.2 Caractérisation des boues

Aspect, teneur en eau et siccité

Les boues fraîches collectées au niveau du décanteur primaire de la STEP de la cité verte étaient d’une coloration grise et caractérisées par une odeur nauséabonde. Ces boues étaient de consistance pâteuse (siccité de l’ordre de 10 à 25 %) (Haoua, 2007). Les résultats de la teneur en eau et de la siccité des boues après deux mois de séchage, sont récapitulés dans le Tableau 4.10. Il ressort que la teneur en eau des boues de 15,2 %, est favorable pour une opération de valorisation de ces matières. En plus, la siccité des boues après séchage de 84,8 % (> 50 %), montre l’efficacité du procédé de séchage utilisé.

Tableau 4.10: Teneur en eau et siccité des boues après séchage

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a,b Teneur en eau et siccité en %

pH

La valeur du pH de la poudre de boue mesurée a donné une valeur de 9,7 (Tableau 4.11).

Tableau 4.11: Valeur du pH des boues d’épuration

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Composition chimique et teneur en matière organique

La composition chimique et la teneur en matière organique des boues sèches sont récapitulées dans le Tableau 4.12. Il ressort que les éléments analysés comme étant majeurs dans la poudre de boue d’épuration sont le Silicium (Si), l’Aluminium (Al), le Calcium (Ca), le Fer (Fe), le Soufre (S), et le Phosphore (P). La prédominance de silicium dans les poudres de boues pourrait simplement s'expliquer par le fait que lors de la collecte des boues à l’état sec, une quantité non négligeable de sables, provenant de la couche superficielle du lit de séchage, aurait adhérée sur la base des galettes de boues. Les résultats de l’analyse chimiques confirment également la présence d’éléments de la directive décharge qui sont potentiellement dangereux pour l’environnement à l’instar du Zinc (Zn), Cuivre (Cu), Chrome (Cr), et Nickel (Ni).

Teneur en métaux lourds et fraction mobilisable des boues

La teneur en métaux lourds, ainsi que la fraction mobilisable de chaque élément, sont présentées dans le Tableau 4.13. Il ressort du tableau que les échantillons de poudres de boues analysés contiennent de fortes teneurs de zinc (680 mg.kg-1) et de cuivre (272 mg.kg-1). Les autres métaux, Cr et Ni, sont présent mais en quantités relativement faibles (68 et 31 mg.kg-1 respectivement). La concentration de ces métaux lixiviées, sont comparées aux contenus totaux, dans le graphique de la Figure 4.4. On observe sur la figure que, la fraction mobilisable de tous les éléments, reste pratiquement inférieure aux teneurs totales en métaux initialement présentes dans les boues.

Tableau 4.12: Composition chimique des boues

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a Concentration en % massique d’oxydes

Tableau 4.13: Teneurs totales en métaux et fraction mobilisable de chaque élément

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a,b Concentration en mg.kg-1

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Figure 4.4: Concentration totale dans les lixiviats et contenus totaux des éléments dans les boues

Les concentrations des éléments dans les lixiviats sont comparées avec les trois seuils réglementaires de la directive décharge, dans la Figure 4.5. On observer sur la figure que les teneurs de tous les éléments présents dans les boues brutes, sont largement supérieures au seuil de la directive décharge pour déchets inertes. Aussi, les concentrations de zinc, cuivre et de chrome, sont supérieures au seuil de la directive décharge pour déchets non dangereux et très proches du seuil pour déchets dangereux. Ceci classe donc ces boues dans la catégorie de déchets dangereux.

Compte tenu du fait que les teneurs en ces éléments sont pratiquement élevées, il conviendrait de vérifier que ce résultat soit sensiblement le même sur plusieurs prélèvements afin de confirmer avec exactitude du caractère dangereux de ces boues.

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Figure 4.5: Comparaison des concentrations relarguées lors de l’essai de lixiviation et des seuils relatifs à la mise en décharge

4.3 Analyses et Tests de Caractérisation des Eprouvettes

Dans cette section, tous les graphes présentés ont été tracés à partir des résultats moyens des différents essais, récapitulés en annexe 4.

4.3.1 Aspect, retrait linéaire et perte au feu des éprouvettes

Le processus de cuisson des briques provoque généralement des modifications de masse et des dimensions. La présence de matière organique dans les matières premières peut causer certains défauts tel que l’apparition de points noirs à la surface des briques surtout lorsque le carbone organique n’est pas complètement consumé pendant l’étape de cuisson (Martinez et al., 2012). Aucun défaut de points noirs n’a été observé sur l’ensemble des éprouvettes dans notre cas.

La qualité des briques peut être davantage assurée par le degré du retrait linéaire à la cuisson. Généralement, les briques de bonne qualité présentent un retrait de moins de 8 % (Martinez et al., 2012). Le mécanisme de frittage favorise une forte proximité entre les particules et ainsi, cause le retrait. La Figure 4.6 présente les résultats moyens du retrait linéaire sur l’ensemble des éprouvettes de chaque formulation. On observe sur la figure que l’addition de boues influence significativement le retrait linéaire de l’argile. En effet, le retrait linéaire des éprouvettes diminue avec l’augmentation de boues. Cette diminution va de 6,92 % pour les briques de référence (sans ajout de boue) à un minimum de 1,37 % pour les briques avec 40 % de boues. Ce résultat s’avérerait logique si l’on considérait que les boues ne contiennent pas de quartz. Martinez et al. (2012) ont affirmé que lors du processus de cuisson, c’est la fusion des particules de quartz qui contribue à consolider davantage les particules argileuses, d’où le retrait. Mais, étant donné que les matières premières (argile et les boues), contenaient du quartz dans les proportions respectives de 54,94 % et de 37,6 %, il est clair que le retrait linéaire des éprouvettes augmenterait plutôt que de diminuer. Cette diminution du retrait peut donc être due principalement à la matière organique présente dans les boues, qui s’est volatilisée lors de l’étape de cuisson en laissant des vides dans la matrice céramique des briques.

Par ailleurs, les résultats moyens de la perte au feu des éprouvettes de référence après cuisson donnent une valeur de 9,26 %. Cette valeur peut être attribuée principalement à la teneur en matière organique de 10,52 % initialement présente dans le matériau argileux d’Etoa (Tableau 4.9), l’élimination de l’eau des minéraux argileux due aux réactions de déshydroxylation, et la décomposition du carbonate de calcium (Martinez et al., 2012). L’ajout de boues en quantités croissante dans l’argile provoque une augmentation linéaire de la perte au feu après frittage. Comme on peut l’observer sur la Figure 4.6, la perte au feu augmente de 13,36 % lorsque 10 % de boue est ajouté et jusqu’à 20,98 % lorsque l’ajout de boue est maximal. Ce résultat est conforme à celui de Igunza et al. (2011) et peut s’expliquer, par la forte teneur en matière organique dans les boues, qui s’est volatilisée lors de la cuisson.

4.3.2 Absorption d’eau

Les résultats moyens du test d’absorption d’eau obtenus sont représentés sur la Figure 4.7. En effet, la figure montre que l’ajout de boue fait augmenter l’absorption d’eau des briques de 8 à 78 % par rapport aux éprouvettes de référence pour B10 et B40 respectivement. Ce résultat est parfaitement en accord avec ceux de Babu et Ramana (2013) et peut s’expliquer par l’augmentation de la perte au feu, conséquente à l’ajout de boue qui crée la porosité dans les céramiques. Samara (2007) avait expliqué ce résultat par le fait que, lorsque le mélange lors de l’étape de façonnage absorbe beaucoup d’eau due à l’ajout de boue, ceci contribue à l’affaiblissement des propriétés plastiques de la pâte en diminuant ainsi sa cohésion et de ce fait, les briques présentent une forte porosité ouverte et la taille des pores élevée. En accord avec la norme française, le maximum d’absorption d’eau pour une brique cuite ordinaire est de 25 %. La Figure 4.7 montre cependant que seules les formulations B10, B15 et B20, ont présenté une absorption d’eau inférieure à 25 %, en accord avec la norme française NF P13 – 304 (1983).

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Figure 4.6: Evolution du retrait linéaire et de la perte au feu des éprouvettes de briques

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Figure 4.7: Résultats du test d’absorption d’eau

4.3.3 Succion des briques

En accord avec les travaux de Martinez et al. (2012), la succion d’une brique de terre cuite doit être inférieure à 0,45 g.cm-2 min. Les résultats moyens du test de succion obtenus au cours de cette étude sont présentés sur la Figure 4.8. La figure montre que la succion des éprouvettes de référence est de 0,19 g.cm-2 min. Celle-ci augmente directement lorsque 10 % de boue est ajouté. En effet, la succion est de 0,29 g.cm-2 min pour B10 et de 0,64 g.cm-2 min pour B40, ce qui correspond à une augmentation de 52 à 200 % respectivement par rapport aux éprouvettes de référence. Ceci montre une forte suscptibilité à l’absorption par les éprouvettes contenant les boues. Ce résultat est parfaitement en accord avec ceux de Martinez et al. (2012) et pourrait s’expliquer par le fait que l’addition de boue augmente la surface de la porosité interconnectée, en accord avec l’absorption d’eau. Les résultats montrent que les formulations B10, B15, et B20 ont des valeurs de la succion inférieures à 0,45 g.cm-2 min.

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Figure 4.8: Résultats du test de succion

4.3.4 Masses volumiques apparente et absolue

La Figure 4.9 présente les résultats moyens des masses volumiques apparente et réelle obtenus pour les différentes formulations. La figure montre que les masses volumiques apparente et absolue des briques sont inversement proportionnelles à la quantité de boue ajoutée. Par exemple, l’ajout de 10 % de boues dans l’argile provoque une diminution par rapport à la référence de 1,81 à 1,76 g.cm-3 de la masse volumique apparente et de 2,46 à 2,31 g.cm-3 de la masse volumique absolue correspondant ainsi à un taux de décroissance de 3 et de 6 % respectivement. La raison principale de cette tendance est donc la combustion des résidus organiques durant la période de cuisson, qui forme les pores ouverts et fermés dans la matrice des briques en bon accord avec les résultats obtenus par Victoria (2013). Selon ces observations, il ressort qu’un fort taux d’ajout de boue dans l’argile, améliore les propriétés thermiques des briquettes mais présente aussi des effets négatifs sur la résistance mécanique des matériaux (Martinez et al., 2012). En comparant les valeurs des masses volumiques obtenues aux valeurs des masses volumiques usuelles des briques cuites données dans le Tableau 3.3, il s’aperçoit que toutes les éprouvettes ont présenté des masses volumiques apparente et absolue toutes inférieures à ces valeurs usuelles d’où leur caractérisation de matériaux de légers.

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Figure 4.9: Masses volumiques apparente et absolue des éprouvettes

4.3.5 Efflorescence

Les résultats du test d’efflorescence sont montrés sur la Figure 4.10. Il ressort qu’en dehors de la formulation de référence, toutes les autres ont présentées des efflorescences, marquées par la présence d’un dépôt de couleur blanche sur la surface de la partie immergées des éprouvettes cylindriques. L’absence d’efflorescences sur les éprouvettes de référence peut tout simplement s’expliquer par le fait qu’aucun sulfate mentionné dans le Tableau 3.4 n’a été détecté dans la composition chimique du matériau argileux, malgré la présence de chaux mais en faible concentration, de l’ordre de 0,49 % (Tableau 4.9). Les résultats de l’analyse chimique des boues présentés dans le Tableau 4.12, ont par contre montré la présence de soufre (1,2 %), ainsi qu’une teneur en chaux de 4,06 %. Il pourrait donc s’avérer que, c’est la présence de soufre qui, couplée à ces teneurs en chaux de 4,06 % dans les boues et de 0,49 % dans l’argile, qui se seraient additionnées lors l’étape de mise au point des mélanges, qui expliquent la présence d’efflorescences sur toutes les éprouvettes contenant les boues. Néanmoins, la solution technique largement utilisée pour limiter les efflorescences, est l’emploi de certains composés chimiques tels que le carbonate ou le chlorite de baryum, à une concentration massique de 7 kg.tonne-1 de matières premières (Samara, 2007).

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a) Taches blanches d’efflorescences

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b) Nettoyage des efflorescences

Figure 4.10: Résultats du test d’efflorescences

4.3.6 Résistance à la compression

Les résultats moyens du test de résistance à la compression (Figure 4.11) indiquent que celui-ci est fortement influencé par la quantité de boue dans les briques. La résistance à la compression des éprouvettes de briques de référence de 16,03 MPa, chute directement à une valeur de 13,91 MPa lorsque 10 % de boues est ajouté, ce qui correspond à un taux de décroissance de 13 %. En général, cette décroissance de la résistance à la compression des éprouvettes avec ajout de boue peut être attribuée à la réduction de la masse volumique des éprouvettes, liée à la grande porosité des briques, produites par la combustion des résidus organiques présents dans les boues, qui brûlent pendant la cuisson et créent des pores dans le produit fini, tout ceci au détriment des propriétés mécaniques des céramiques. Ce résultat est parfaitement en accord avec ceux de Tay et al. (2002), Ramadan et al. (2008), Babu et Ramana (2013). Cependant, seules les formulations B10 et B15 ont présenté des valeurs de la résistance à la compression au-dessus du minimum recommandé par la norme française NF P13 – 304, de 10 MPa pour briques ordinaires.

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Figure 4.11: Résultats du test de résistance à la compression des éprouvettes

4.4 Formulation Retenue

A l’issue de l’étude technique de la faisabilité de l’incorporation des boues d’épuration séchées dans la brique de terre cuite, réalisée à l’échelle de laboratoire, les points suivants sont à retenir:

– les briques obtenues par incorporation de boue d’épuration dans les formulations ont dans l’ensemble, présenté une cohésion, un retrait linéaire acceptable ;
– seules les formulations B10, B15 et B20 ont présenté une absorption d’eau inférieure à 25 %, en accord avec la norme française NF P13 – 304 (1983) ;
– les briques avec une teneur de boue supérieure à 20 % ont présenté des valeurs de la succion supérieures à 0,45 g.cm-2 min et sont par conséquent susceptibles à absorber rapidement de l’eau ;
– les valeurs des masses volumiques apparente et absolue des briques dans l’ensemble sont toutes inférieures aux valeurs usuelles, d’où leur nature légère.
– en dehors de la formulation de référence, toutes les autres ont présenté des efflorescences ;
– les résultats des essais de compression sont ceux qui ont permis de retenir les formulations B10 et B15, ayant présenté des valeurs de la résistance à la compression de 13,91 et 11,6 MPa respectivement supérieures à la valeur minimale exigée par la norme française NF P13 – 304 (1983) ;

Etant donné que l’étude se veut de déterminer principalement un taux optimal d’incorporation de boue dans les formulations pour briques de terre cuites, tout en tenant compte des exigences technologiques, les deux formulations B10 et B15 sont celles ayant dans l’ensemble présenté des propriétés physico – mécaniques proches de la formulations de référence et acceptables par la norme française NF P13 – 304 (1983). Cependant le choix a été porté sur la formulation B15 car, en plus du fait qu’elle possède des propriétés en accord avec la norme française NF P13 – 304 (1983), est la formulation valorisant encore plus de boues.

4.5 Evaluation Environnementale des Eprouvettes de la Formulation B15

Les tableaux 4.14 et 4.15 donnent les quantités de métaux dosés dans les lixiviats, à l’issue des tests de lixiviation selon les procédures européenne et américaine respectivement. Il ressort de ces tableaux que les fractions lixiviées de chaque élément par les éprouvettes, sont largement inférieures au potentiel mobilisable présenté au tableau 4.13. Les résultats du tableau 4.14 montrent également que les quantités d’éléments lixiviées, ne dépassent pas les valeurs limites admissibles en décharge pour déchets inertes. Aussi de façon analogique, le Tableau 4.15 montre également des teneurs en métaux dans les lixiviats, inférieures aux limites TCLP. Ces résultats sont cohérents à ceux obtenus par Samara (2007), Joan et Lazaro (2012), et pourraient être expliqués par le fait que les métaux lourds ont été soient, immobilisés dans la matrice céramique des éprouvettes, soient transformés en forme d’oxydes moins solubles pendant la cuisson. Globalement, les résultats des essais de lixiviations des éprouvettes avec 15 % de boue, montrent un comportement satisfaisant pour leur adoption comme matériaux de construction durable.

Tableau 4.14: Quantités de métaux relargués dans les lixiviats à l’issu du test de lixiviation selon la norme européenne

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Tableau 4.15: Quantités de métaux relargués dans les lixiviats à l’issu du test de lixiviation selon la norme américaine

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a Quantités lixiviées en mg.kg-1 ; b Limites TCLP en mg.kg-1 (voir annexe 1)

CHAPITRE 5.0 CONCLUS I ONS ET RECOMMANDATIONS

5.1 Conclusions

Parvenu au terme de cette étude sur la faisabilité technique et environnementale de la valorisation des boues de stations d’épuration dans les briques de terre cuite, les conclusions suivantes peuvent être retenues:

1) Avec l’ambition gouvernementale d’améliorer et de construire de nouvelles installations d’assainissement liquide, en vue d’augmenter ainsi à 57 % en 2020 la proportion des systèmes d’assainissement liquide au Cameroun, la production cumulée de boue, qui en quatre années de fonctionnement par les systèmes actuels atteint déjà les 1 700 tonnes, se verra augmentée davantage pour atteindre les 6 200 tonnes environ d’ici 2020.
2) A l’issue de la caractérisation physico-chimiques et environnementale des matières premières, retenons que le matériau argileux utilisé dans cette étude, était une argile de type kaolinitique, de granulométrie moyenne et riche en silice. Les boues ont par ailleurs été principalement caractérisées par une fraction mobilisable en métaux, au- dessus des limites admissibles pour déchets non dangereux ce qui les a classés dans la catégorie de déchets dangereux. Ceci justifie dont l’importance d’envisager un plan de gestion afin d’anticiper sur les effets néfastes que ces matières risqueraient d’engendrer sur l’environnement.
3) Au vu des propriétés physico-mécaniques et chimiques, de la quantité de boue incorporée dans les briques et de l’objectif visé par l’étude, la formulation à 15 % a été retenue comme étant la plus efficace.
4) L’étude environnementale, réalisée par des tests de lixiviation a également montré que les métaux lourds présents dans les boues ont été stabilisés voire immobilisés dans la matrice céramique des briques, ce qui s’est observé par les très faibles teneurs dosées dans les lixivats. Ceci montre donc l’efficacité de cette voie de valorisantion des boues.

5.2 Recommandations

5.2.1 Recommandations pour l’amélioration de la gestion des boues d’épuration

Vu l’importance environnemental que revêt le domaine de la gestion des sous-produits de l’assainissement des eaux usées, nous recommandons ainsi:

1. Au Minsitère de l’Eau et de l’Energie (MINEE), responsable de l’assainissement liquide en milieu urbain et rural:

- de mettre sur pieds une stratégie de gestion des boues issues des divers systèmes d’assainissement liquide. Cette stratégie devra dans son ensemble:
– définir les voies et moyens de collecte et de traitement de ces boues ;
– définir les voies d’éliminations et/ou de valorisation de ces boues.

2. Au Ministère de l’Environnement, de la Protection de la Nature et du Développement Durable (MINEPDED), responsable du domaine environnemental:

- de penser à mettre sur pieds une stratégie visant à réduire la pollution de l’environnement par les boues issues du traitement d’eaux usées. Celle-ci devra dans son ensemble,
– sensibiliser les producteurs de boues et/ou gestionnaires de STEP sur le risque potentiel que ces matières présentent pour notre environnement ;
– définir des normes pour l’utilisation de ces boues en tant que fertilisant des cultures.

3. Au Ministère de l’Habitat et du Développement Urbain (MINHDU) et à la Communauté urbaine de Yaoundé, responsables de la construction des installtions d’assainissement, de veiller au respect des normes de construction des installations de traitement d’eaux usées par les entreprises en charge, souvent négligeant à cet effet.

5.2.2 Recommandations pour les travaux futurs

Cette étude de faisabilité, comptant parmi les premières contributions à la valorisation du potentiel de boues d’épuration au Cameroun ne s’est limitée qu’aux stations d’épuration domestiques et n’a concerné que les aspects techniques et environnementaux. Cependant, nous recommandons qu’une évaluation de la production de boue par les STEP industrielles de la ville de Yaoundé soit menée. Aussi, nous recommandons qu’une étude économique soit réalisée afin de juger du réalisme de cette voie de valorisation.

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ANNEXES

Annexe 1: Valeurs limites pour test de lixiviation selon les procédures européenne et américaine

1.1 Limites pour test de lixiviation selon la procédure européenne

Ces limites sont valables uniquement pour un test de lixiviation sur la base d’un ratio Liquide/Solide de 10 L/kg, correspondant à la norme française XP 31-210 aujourd’hui remplacée par la norme EN 12457-2 (2002).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Source: Agostini (2006)

1.2 Limites TCLP

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Source: Samara (2007)

Annexe 2: Détails de calcul de la production de boues dans la ville de Yaoundé

3.1 Calcul de la production cumulée de boues par les STEP en service depuis 4 ans (de 2011 à 2014)

D’après les données du Tableau 4.2, la production de boues est calculée par la relation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Avec:

Q: Production totale de boue (tMS.an-1) ;

n: Nombre d’année de service de la STEP ;

Pan/STEP: Production annuelle de boues dans chaque STEP en service (tMS.an-1).

Application numérique (AN)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

La production cumulée dans les trois STEP déjà en service est donc de 1764 tonnes de MS en 4 ans.

3.2 Estimation de la production cumulée de boues d’ici 2020 par l’ensemble des STEP déjà en services et celles en projet de construction et de réhabilitation

Cette estimation se fait sur 6 ans (de 2015 à 2020)

Cette estimation s’est faite par la même relation que précédemment:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

D’où la production estimée de boues d’ici 2020 sera de: 2646 + 2970 + 624 soit 6240 tonnes de matières sèches.

Annexe 3: Classification des sols en fonction de la valeur au bleu de méthylène

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Source: Hadj (2000)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Annexe 4: Récapitulatif des résultats des différents essais réalisés sur les éprouvettes

a Retrait linéaire (%) ; b Perte de masse (%) ; c Absorption d’eau (%) ; d Succion d’eau (g.cm-2 min) ; e Masse volumique apparente (g.cm-3) ; f Masse volumique absolue (g.cm-3) ; g Résistance à la compression (N.mm-2).

Annexe 5: Etapes de l’évaluation environnementale de la formulation retenue

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sélection, mélange et broyage des éprouvettes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tamisage des particules et préparation des échantillons pour l’agitation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Agitation, filtration de l’éluât et récupération des lixiviâts

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dosage des métaux lourds dans les lixiviâts par SAA

[...]


1 Production cumulée de boues en quatre ans de service par les STEP déjà en service. Voir l’annexe 2 pour les détails de calculs.

2 Production cumulée de boues en 6 ans de service par l’ensemble des STEP en services et celles en projet. Les détails de calcul sont donnés en annexe 2.

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Résumé des informations

Titre
La valorisation des boues d’épuration séchées dans la brique de terre cuite. Faisabilité technique et environnementale
Note
18/20
Auteur
Année
2015
Pages
107
N° de catalogue
V520131
ISBN (Livre)
9783346172488
Langue
Français
mots-clé
faisabilité
Citation du texte
Franck Seukep (Auteur), 2015, La valorisation des boues d’épuration séchées dans la brique de terre cuite. Faisabilité technique et environnementale, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/520131

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