Le biogaz est une source d’énergie renouvelable, dont le potentiel est insuffisamment valorisé à l’heure actuelle. Avant toute valorisation énergétique, des traitements épuratoires coûteux (e.g. adsorption par des charbons actifs imprégnés, CAI) sont nécessaires, limitant la rentabilité économique. Un intérêt vers le développement de procédés de traitement « bon marché » est mis en évidence au travers d’études, la plupart à l’échelle du laboratoire, basées sur l’utilisation de déchets/sous-produits. Nous avons ainsi réalisé une étude de faisabilité d’un procédé d’élimination d’H2S, composé très corrosif et toxique, par des Mâchefers d’Incinération de Déchets Non Dangereux (MIDND). Une unité pilote a été installée sur la plateforme de valorisation de biogaz d’une installation de stockage de déchets non dangereux. Des essais à petite échelle (500 g) ont permis le screening de 6 différents MIDND et l’identification des paramètres influents sur le traitement d’H2S. Le transfert d’échelle (10 kg), ainsi que des conditions opératoires optimisées, ont permis d’obtenir une capacité d’adsorption des MIDND supérieure à 200 gH2S/kgMS, proche de celle de certains adsorbants commerciaux. Ce travail expérimental a été complété par un questionnement scientifique sur les mécanismes de rétention d’H2S. Un panel de techniques analytiques a permis de caractériser la matrice (avant et après traitement), de réaliser les bilans de soufre et d’identifier sa spéciation. Le mécanisme proposé repose majoritairement sur l’oxydation catalytique d’H2S en soufre élémentaire dans un contexte physico-chimique adéquat (humidité, pH, porosité, présence d’O2 et de métaux). L’intérêt économique de la mise en œuvre industrielle du procédé de désulfuration avec des MIDND a été démontré, avec une réduction conséquente des coûts de traitement par rapport à l’utilisation de CAI. Ce travail montre également l’intérêt environnemental d’un tel procédé qui entre parfaitement dans le cadre de l’économie circulaire. / Biogas is a renewable energy source, which potential is still under-evaluated. Before any energy production from biogas, costly purification treatments (e.g. adsorption by impregnated activated carbons, IAC) are necessary, limiting the economic profitability. An increasing interest in the development of "low-cost" treatments based on the use of waste/by-products is shown by several studies, most of all by tests at laboratory scale. Thus, a feasibility study of the use of Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Bottom ash (BA) for the removal of H2S, a very corrosive and toxic compound in biogas, has been carried out in this thesis. An experimental pilot was installed on an energy recovery plant from biogas produced in a landfill (non-hazardous waste). Small-scale trials (500 g) allowed the screening of 6 different BAs and the identification of key parameters of the desulfurization. The transfer to a bigger scale reactor (10 kg), as well as the optimized operating conditions, enabled to obtain an adsorption capacity higher than 200 gH2S/kgdy BA, similar to that of some commercial adsorbents. The on-site experimental study has been completed by a scientific investigation on the mechanisms involved on the H2S retention by BA. Several analytical techniques were used to characterize the material before and after the biogas treatment, to carry out the sulfur mass balances and to identify its chemical speciation. The proposed mechanism relies predominantly on the catalytic oxidation of H2S to elemental sulfur, in an adequate physicochemical context (moisture, pH, porosity, O2 and metal oxides). The economic benefit of an industrial implementation of the desulfurization treatment with MIDND has been demonstrated. The operational costs are reduced compared to a treatment with IAC. The environmental value of such a treatment is also shown and fits perfectly into a circular economy framework.

Le traitement thermique de déchets industriels dangereux à forte teneur en soufre peut engendrer des difficultés de conduite des installations d'incinération du fait des brusques variations de charges en soufre. Ce travail de thèse a pour objectif l'optimisation de la formation d'espèces minérales soufrées stables à haute température lors de l'incinération de déchets dangereux. Les mécanismes de décomposition thermique de deux déchets (le Mancozeb et un charbon actif soufré) sous air et sous azote ont dans un premier temps été élucidés en thermogravimétrie. La connaissance des espèces soufrées émises en fonction de la température lors de la décomposition thermique a permis la sélection de composés minéraux dits "piégeants" pour capter le soufre sous forme solide. Des modélisations thermodynamiques par minimisation de l'enthalpie libre du système ainsi que des essais en four à moufle ont pour cela été conduits. Les conditions de piégeage du soufre par la chaux ont par la suite été optimisées dans un four horizontal de laboratoire. Pour chacun des deux déchets, la formation et la conservation au cours du temps d'espèces réductrices au sein du lit de déchet permet de piéger le soufre sous forme de sulfure de calcium à 1100 °C sous air. Des essais dans un pilote de laboratoire équipé d'un four à grille ont permis de confirmer les résultats obtenus au laboratoire et ont produit suffisamment de résidus pour soumettre le mâchefer contenant les sulfures à des tests de lixiviation selon la norme NF-EN 12457-2. Ils révèlent que le mâchefer produit est admissible en centre de stockage de déchet ultime de classe 1 conformément à la réglementation en vigueur. / Thermal treatment of dangerous wastes with high sulfur contents may lead to difficulties in thermal treatment unit control because of strong variation in sulfur contents. This work aims at favoring the in-situ formation of high temperature stable minerals in which sulfur is trapped. Thermal decomposition mechanism of two dangerous wastes (Mancozeb and a soiled activated carbon) have been investigated under both air and nitrogen atmosphere through thermogravimetric analysis. Knowing the temperature of gaseous emissions and the speciation of emitted sulfur compounds, made it possible to simulate the reactivity of sulfur with several calcium based products using the Enthalpy minimization model. Tests were then performed in a horizontal laboratory furnace to optimize the formation of sulfur minerals from lime and wastes, at 1100°C under air atmosphere. The occurrence of reducing conditions in some parts of the load leads to the formation of calcium sulfide, stable provided the reducing conditions are kept locally. Upscale tests were then performed in a grid furnace and confirmed the obtained at laboratory scale : sulfur is trapped by lime in calcium sulfide only in default of oxygen. The obtained sulfide containing residues were submitted to standardized leaching test NF-EN 12457-2. These residues respect the prevailing regulations concerning its admission in dangerous ultimate wastes storage center.

L’enjeu actuel autour de la gestion des MIDND est de valoriser, dans la mesure du possible, les mâchefers sur les chantiers routiers à maîtrise d’ouvrage publique ou privée, tout en tenant compte de la réglementation en vigueur et en réalisant un suivi rigoureux dès l’élaboration jusqu’à leur mise en place. Un des freins de la valorisation des MIDND est relatif aux critères de qualité de plus en plus contraignants. Parmi les polluants potentiels qui peuvent entrainer des restrictions environnementales d’utilisation, les éléments trace métalliques (ETM), dont le comportement en fonction des paramètres que sont la maturation et la granulométrie reste peu connu, sont des plus préoccupants. Dans cette thèse, l’approche développée a permis de définir les conditions favorables au relargage des ETM suivants : Cu, Cr, Pb, Sb, Ni et Zn. La démarche scientifique s’articule autour de trois grands axes : Le premier axe concerne le développement d’une méthode de caractérisation pertinente des MIDND (notamment de la fraction organique et de la fraction minérale polluante) afin de pouvoir mieux juger de leurs qualités. La matrice initiale d’étude prélevée sur un site industriel ainsi que ses fractions granulométriques, ont été finement analysée, tant d’un point de vue physico-chimique qu’en ce qui concerne leur comportement environnemental. La modélisation géochimique basée sur ces données physicochimiques et de lixiviation permet d’identifier des phases majoritaires et de simuler le comportement du matériau dans la perspective de prévoir l’évolution du MIDND en conditions spécifiques de stockage ou de valorisation. Le deuxième axe décrit l’impact des conditions de maturation, et du fractionnement granulométrique sur l’évolution de la qualité des MIDND. Trois différentes conditions de maturation (naturelle sur plate-forme; accélérée sur petit tas; forcée) ont été étudiées. Les résultats montrent que les changements dans la composition chimique et minéralogique des MIDND étudiés et de leurs fractions granulométriques sont plus significatifs lorsque la maturation progresse. La maturation naturelle accélérée et la carbonatation forcée limite la lixiviation du Cu, du Pb et du Zn. Au contraire, la lixiviation du Cr, de Sb, des Cl- et des SO42- augmente lorsque le pH diminue. Le troisième axe est dédié à l’étude de l’utilisation des MIDND comme matière première secondaire dans un scénario de valorisation alternatif aux utilisations en sous-couches routières classiquement pratiquées. Le scénario consiste à incorporer les MIDND dans un coulis auto-compactant utilisable pour l’élargissement de chaussées ou le comblement de fossés. Une formulation a pu être définie. La conformité des performances mécaniques, géotechniques et environnementales aux spécifications d’usage normalisées, est encourageante pour les potentiels utilisateurs des MIDND en technique routière. / Current challenge of Municipal Solid waste Incineration (MSWI) bottom ash management lays in its valorization, mainly to be used in road construction projects. The process must take into account environmental regulations and conduct rigorous monitoring from production to utilization. One constraint in the assessment of MSWI bottom ash is related to quality criteria which is becoming more restrictive. Among potential pollutants that can cause environmental use restrictions are metal trace elements (MTE), whose behavior based on weathering and grain size is not yet well known and represent one of greatest concern. In this thesis, the developed research approach defined the favorable conditions for Cu, Cr, Pb, Sb, Ni and Zn release. The aforementioned approach is based on three pillars: The first pillar focuses on the development of a pertinent characterization method for bottom ash (including the polluting organic and mineral fraction) aiming at a better assessment of its properties. The initial study matrix, taken from an industrial site, was carefully analyzed from both, physico-chemical and environmental performances. Geochemical modeling based on physico-chemical and leaching data, allowed to identify the main mineral phases and to simulate material behavior with the purpose of predicting the evolution of MSWI bottom ash in specific storage or valorization conditions. The second pillar describes the impact of weathering conditions and size partitioning on MSWI bottom ash quality evolution. Three different weathering conditions (natural on industrial scale heap; accelerated on small heap; and forced) were studied. The results showed that changes in the chemical and mineralogical composition of MSWI bottom ash as well as in its size fractions are more significant when the weathering proceed. The natural accelerated weathering and the forced carbonation limited the leaching of Cu, Pb and Zn, whereas, the leaching of Cr, Sb, Cl and the SO42- increased as pH decreased. The third pillar focuses on the study of MSWI bottom ash alternative utilization as secondary raw material for the typically practiced road sub-layers construction. It consisted of incorporating MSWI bottom ash in a self-compacting material used for pavement sub-layer or coated road shoulders structures. A formulated material was obtained by mixing MSWI bottom ash, water and cement as a hydraulic binder. The results of the mechanical, geotechnical and environmental assessment are promising for MISWI bottom ash potential use in road construction.