Boue rouge

Bassin de stockage de boue rouge à Arvida, vu du ciel.

Boue rouge (Red mud ou RM pour les anglophones) est le nom communément donné au principal déchet produit lors la fabrication d'alumine et d'aluminium par le procédé Bayer. Breveté par Karl Josef Bayer en 1887 puis en 1892^[1], ce procédé très efficace mais dont les processus chimiques de base sont encore mal compris^[2] est très consommateur en eau et énergie et produit une grande quantité de déchets sous forme de boues rouges. Il est utilisé depuis plusieurs décennies par presque toute l'industrie aluminière.

Un des risques est la rupture de digue : ici l'effondrement de l'angle nord du périmètre endigué du bassin n° 10 de l'aluminerie d'Ajka (photo par satellite du 9 oct. 2010, de Digitalglobe)

Radioactivité gamma de la bauxite hongroise courante comparée à celle, naturellement plus élevée de la mine de Csordakút). Les 4 radionucléides dosés sont : Ac-228 (isotope naturel de l'actinium, produit de la chaîne de désintégration de l'uranium 235, très radioactif ; 150 fois plus que le radium) ; Pa-234m (un des isotopes du Protactinium) ; Bi-214 (Bismuth 214, radioactif, mais aussi toxique chimique) et K-40 (Potassium 40, bioassimilable via certaines plantes. Sa période radioactive est de 1,248 milliard d'années.)

Radioactivité des boues rouges hongroises (minima et maxima), à la même échelle que ci-dessus, montrant que la boue rouge peut être plus radioactive que le minerai (les radionucléides y sont concentrés par le processus industriel).

Ce procédé permet de traiter la bauxite pour en extraire une part significative de l'alumine qu'elle contient.

Ces boues sont ou non prétraitées (en général à l'acide, pour les rendre moins basiques), puis généralement stockées dans de vastes bassins (d'une superficie de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'hectares)^[3], où elles perdent leur eau par évaporation. Certaines usines, comme celle de Gardanne, dans le sud de la France, en rejettent encore une partie en mer (jusqu'en 2015).

Caractéristiques physico-chimiques des boues rouges

• Couleur : leur couleur rouge brique est due à leur teneur élevée en oxydes de fer (que contenait la bauxite avant son traitement).
• Leur caractère très basique (pH de 11 à 14 en général) : il provient de leur teneur en soude caustique, résidu du procédé Bayer. Certaines alumineries traitent leurs boues pour en retirer une grande partie de cette soude (c'est le cas de celle de Gardanne).
• Toxicité : elle est d'abord liée au caractère caustique du matériau, et dans une moindre mesure, mais peut-être de manière plus importante à long terme, surtout en contexte acidifiant, à sa teneur en métaux lourds (plomb, mercure, chrome) ou parfois en radionucléides qui s'y fixent facilement^[4]. Les teneurs en ces produits, et leur biodisponibilité varient fortement selon l'origine de la bauxite et le processus industriel.
• Composition chimique : elle varie fortement selon l'origine du minerai (bauxite) et sa teneur en aluminium, minéraux et métaux divers. Les boues rouges contiennent notamment de la cancrinite et de l'hématite ^[4] qui se lient facilement aux métaux lourds (fortement au zinc, assez fortement au plomb et un peu moins au cadmium selon des tests en laboratoire^[4]) et expliqueraient la capacité de ces boues à les absorber^[4].
  Le processus industriel influe aussi sur la composition des boues. Certaines usines traitent leurs boues de manière à y récupérer la soude et à la rendre inerte (neutralisation du pH) en termes basicité. Il est possible d'en extraire une partie des chlorures (ceux-ci constituent de 0,092 à 0,121 % du poids des boues). Ils sont surtout présents dans les fines particules de sodalite (de moins de 10 µm) qui ont recristallisé lors de la phase de dessilicatation du procédé Bayer. Un tamisage humide suivi d'une séparation hydraulique et d'une séparation en cyclone permet d'en récupérer 22 à 34 (en poids), permettant de faire significativeemnt chuter la teneur en chlorure de la boue à 0,015 à 0,025 % (en poids)^[5], etc.

Un chélateur tel que l'EDTA se montre capable d'extraire une grande partie des métaux lourds contenus dans les boues rouges traitées à l'acide. Ces mêmes boues perdent également plus de métaux (en particulier les fractions les plus échangeables ou les plus solubles dans l'eau) quand elles sont exposées à la lixiviation ou mises en contact avec des nitrates (nitrate de calcium ou Ca(NO3)2 lors des expérimentations). Mais les boues non traitées à l'acide rejettent moins de plomb, cadminum et zinc quand elles sont exposées à l'EDTA.

Devenir des boues

Elles sont principalement mises en décharge en bassin d'évaporation. Ces bassins sont maintenant en fin de vie ou au cours de leur déshydratation généralement réhabilités. La difficulté est que leur forte basicité, salinité et sodicité empêche ou freine très fortement une renaturation spontanée. En zone ou période sèche, les envols de poussière peuvent aussi poser problème. Alors qu'en période très humide, c'est l'érosion hydrique qui peut être source de pollution en aval (turbidité, modification du pH, pollution par les métaux..). Cependant le traitement des boues par de l'acide réduit fortement ou totalement leur caractère caustique, mais favorise la libération des métaux lourds qu'elles peuvent contenir, et diminue leur capacité à en absorber et fixer d'autres ^[4].

Différentes méthodes de réhabilitation ont été testées, dont par exemple la simple couverture par une couche de terre arable (30 cm à 1 m voire plus), une pré-couverture par des cendres ou scories de charbon (qui peuvent aussi contenir des polluants, voire des radionucléides en quantité significative), ou encore un prétraitement de surface par des déchets de l'industrie plâtrière (déchets de gypse dont l'ajout de 5 % ou plus comme amendement diminue le pH, la disponibilité d'oligoéléments tels que calcium, potassium, phosphore et magnésium, tout en réduisant la toxicité du fer et du sodium, en améliorant la germination et la croissance des plantes, sans apports de terre arable^[6])

L’élimination de ce déchet industriel se fait parfois ou s'est fait (selon les pays et les évolutions de la législation) en le rejetant à la mer. C'est encore ce que fait l'usine de Gardanne.

Pistes de valorisation

L'installation de nouvelles décharges est coûteuse, et génère de plus en plus de difficultés de la part des communes et riverains. Depuis quelques décennies, les industriels cherchent donc des solutions pour diminuer le tonnage de déchets produits, et éventuellement valoriser leurs boues rouges en leur trouvant de nouveaux usages, dont :

• matériaux de construction^[7] (intégration à des céramiques, briques, ciments... parfois avec d'autres déchets tels que des cendres volantes) ou à moindre coût on les a utilisé en génie civil comme matériau de couverture^[8] de décharges (quand elles avaient été inertées par extraction de plus de 90 % de leur soude caustique) ;
  Des tests de lixiviation et 3 types de tests écotoxicologiques (Microtox ™, test ASTM de toxicité pour les microalgues et tests d'embryo-toxicité pour l'oursin) ont été réalisés en Italie sur des échantillons de boues rouges solides prétraitées pour être "ré-introduite dans l'environnement". Ils visaient à mieux évaluer leur compatibilité avec l'environnement. Les auteurs ont conclu à des résultats plutôt encourageants montrant une possibilité d'utiliser ces matériaux pour traiter certains sols ou des eaux contaminés. Les métaux présents dans la boue rouge correctement traitée y semblent relativement bien piégés, dans une certaine gamme de pH, même relativement bas. Cependant, il ne semble pas y avoir eu beaucoup d'études sur la capacité de la microfaune du sol (Collemboles ou vers de terre par exemple) à absorber et éventuellement véhiculer (bioturbation) ou non les toxiques emprisonnés dans cette matrice) ^[9].
• amendement chimique et minéral pour cultiver des sols pollués par l'arsenic ou d'autres métaux (les métaux lourds sont moins mobiles et moins biodisponibles dans les sols basiques) ;
• absorbants, additifs, colorants.. Leur caractère très basique, et une préparation supplémentaire (calcination, ajouts d'additifs appropriés) leur confèrent des caractéristiques intéressantes pour absorber certains polluants de liquides ou produits acides ou légèrement acides, et pour tamponner le pH de ces liquides
  C'est notamment un des moyens efficaces d'absorber l'arsenic de l'eau, dans certaines conditions (il faut que cette eau soit légèrement acide).
  Des boues rouges non traitées à l'acide montrent dans certaines conditions une capacité à fixer certains ions très toxiques du plomb et du chrome (Pb²⁺ et Cr⁶⁺)^[10] Si les boues rouges sont utilisées pour absorber des polluants non biodégradables, cela en fait cependant des déchets plus pollués qu'il conviendra d'inerter ou durablement stocker dans de bonnes conditions. Les tests écotoxicologiques et de lixiviation couramment utilisés, laissent penser que la boue rouge ne présente pas de toxicité aigüe ou élevée pour l'environnement avant ou après certaines réutilisations^[11].
• produits de nettoyage du gaz^[11]
• catalyseur d'hydrogénation, hydrodéchloration et d'oxydation des hydrocarbures ^[11].

Risque industriel

Il est lié aux produits chimiques utilisés dans le processus, mais aussi à d'éventuels défauts de sécurisation des bassins de stockage des effluents (boues rouges).

Article détaillé : Accident de l'usine d'aluminium d'Ajka.

Ainsi en octobre 2010, près de la ville hongroise d'Ajka, les villages situés en aval de l'aluminerie d'Ajka ont été brutalement envahis par 700 000 m³ de boue rouge très liquide et très caustique, après la rupture de la digue (d'une trentaine de m de hauteur) d'un des bassins-réservoir de l'usine^[12], provoquant une catastrophe écologique majeure par sa proximité du Danube ainsi que neuf morts et cent vingt personnes blessées^[13].

L'Europe a financé un programme international de recherche sur la radioactivité et les risques afférents à cette radioactivité dans les boues rouges et les résidus de centrales électriques ou grandes chaufferies au charbon (cendres et scories). Dans ces deux cas, les déchets peuvent avoir concentré certains radionucléides susceptibles de repasser dans les réseaux trophiques et poser des problèmes sanitaires et écologiques^[14].

Voir aussi

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• « Boue rouge », sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)

Articles connexes

• Aluminium
• Alumine
• Basicité
• Affaire des boues rouges
• Gestion des déchets
• risque industriel

Bibliographie

• (en) A. R. Hind, S. K. Bhargava, Stephen C. Grocott, The surface chemistry of Bayer process solids: a review, Colloids and Surfaces A : Physicochem. Eng. Aspects, 146 (1999) 359–374 (Résumé).
• (en) B. Salopek, J. Strazisar. The influence of red mud impoundments on the environment. Light Metals (Warrendale, PA, United States) (1993), 41-4.
• (en) D.J., Cooling, D.J. Glenister, Practical aspects of dry residue disposal Light Metals 1992, 25-31, Proceedings of the 121st TMS Annual Meeting, Mar 1-5 1992, San Diego, CA, USA, Published by Minerals, Metals & Materials Soc (TMS).
• (en) L.K. Hudson, Alumina Production, The Aluminium Company of America, Pennsylvania, 1982.
• (en) W. M. Gerald, Treatment and disposal of red mud generated in the Bayer Process, AU701874.
• (en) S.E. Poulos, M.B. Collins, C. Pattiaratchi, A. Cramp, W. Gull, M. Tsimplis, G. Papatheodorou, Oceanography and sedimentation in the semi-enclosed, deep-water Gulf of Corinth (Greece), Marine Geology, 134, (1996), 213-235

Bibliographie relative au recyclage ou à la valorisation par réutilisation des boues rouges

Huiting Shen and E. Forssberg ; An overview of recovery of metals from slags ; Waste Management ; Volume 23, Issue 10, 2003, Pages 933-949 ; doi:10.1016/S0956-053X(02)00164-2 (Résumé)

• (en) Anastasios I. Zouboulis, Konstantinos A. Kydros ; Use of red mud for toxic metals removal: The case of nickel ; publié en ligne 2007/04/24, Journal of Chemical Technology & Biotechnology; Society of Chemical Industry ; Volume 58, Issue 1, pages 95–101, 1993 ; DOI: 10.1002/jctb.280580114 (Résumé)
• (en) A. Agrawal, K.K. Sahu, B.D. Pandey, Solid waste management in non-ferrous industries in India, Resources, Conservation and Recycling 42 (2004) 99–120 (résumé)
• (en) C. Brunori, C. Cremisini, P. Massanisso, V. Pinto, L. Torricelli, Reuse of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility, Journal of Hazardous Materials, 117(1), (2005), 55-63 (Résumé)
• (en) H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, O. Schuiling, Adsorption of arsenate from water using neutralized red mud, J. Colloid Interface Sci. 264 (2003) 327–334
• (en) H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, Increasing the arsenate adsorption capacity of neutralized red mud (Bauxsol™), J. Colloid Interface Sci. 271 (2004) 313–320
• (en) H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, Adsorption of arsenic from water using activated neutralized red mud, Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 2428–2434
• (en) F. Peng, K. Liang, H. Shao, A. Hu, Nano-crystal glass-ceramics obtained by crystallization of vitrified red mud, Chemosphere 2004 (expected)
• (en) H.Z. Xu, Technological and economic feasibility study on producing building materials with red mud, Gold 17 (1996), pp. 17–21 (in Chinese)
• (zh) S.W. Yang, Y.H. Cao and Q. Li, The status and development of comprehensive utilization of red mud in the aluminum industry, Conservation and Utilization of Mineral Resources 6 (1999), pp. 46–49
• (en) D. Luo and J. Liu, New process of utilizing red mud from aluminum treating plant to produce high quality direct-reduction iron, China Mining 11 (2002), pp. 50–53 (in Chinese)
• (en) S.P. Varnavas, P.P. Achilleopoulos, Factors controlling the vertical and spatial transport of metal-rich particulate matter in seawater at the outfall of bauxitic red mud toxic waste, The Science of the Total Environment, 175 (1995), 199-205

Brevets

• Japan Patent No. Heisei 6-340934, 1994
• Japan Patent No. Heisei 7-47301, 1995

Liens externes

• {...}

Notes et références

1. ↑ Jean-Yves Morlock Les innovations technologiques majeures dans le procédé Bayer depuis son origine in : Cent ans d'innovation dans l'industrie aluminium, Magali Vautelin, Ed. L'Harmattan, 1997.
2. ↑ Voir A. R. Hind & al. The surface chemistry of Bayer process solids: a review, cité en bibliographie, en fin de cet article
3. ↑ P. M. Prasad, H. K. Chandwani, H. Mahadevan. Disposal practices for bauxite tailings at the alumina refineries. Transactions of the Indian Institute of Metals (1996), 49(6), 817-839.
4. ↑ ^{a, b, c, d et e} Laura Santona, Paola Castaldi and Pietro Melis ; Corresponding Author Contact InformationEvaluation of the interaction mechanisms between red muds and heavy metals  ; Journal of Hazardous Materials Volume 136, Issue 2, 21 August 2006 (en ligne 2006/01/18), Pages 324-329 : doi:10.1016/j.jhazmat.2005.12.022 (Résumé)]
5. ↑ (en) J. Hyuna, S. Endoha, K. Masudaa, H. Shinb, H. Ohyaa, Reduction of chlorine in bauxite residue by fine particle separation, Int. J. Miner. Process., (2004) (Résumé)
6. ↑ J.W.C. Wong, G.E. Ho ; Use of Waste Gypsum in the Revegetation On Red Mud Deposits: a Greenhouse Study ; Revue : Waste Management & Research ; Octobre 2010 ; 28 (10) ; (résumé
7. ↑ Jiakuan Yang & Bo Xiaoa Development of unsintered construction materials from red mud wastes produced in the sintering alumina process ; Construction and Building Materials Volume 22, Issue 12, December 2008, Pages 2299-2307 doi:10.1016/j.conbuildmat. 2007/10/05
8. ↑ S.S. Quadri, Laxmikantha H., M. R. Patil ; Suitability of Industrial Process Wastes as Alternative Materials for Landfill Covers ; 12th International Conference of International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics (IACMAG) 1-6 October, 2008 Goa, India [ http://www.civil.iitb.ac.in/~dns/IACMAG08/pdfs/I21.pdf Lien vers l'article]
9. ↑ Voir C. Brunori & al, Reuse of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility, cité en bibliographie en bas de cet article
10. ↑ Vinod K. Gupta, Monika Gupta and Saurabh Sharma ; Process development for the removal of lead and chromium from aqueous solutions using red mud—an aluminium industry waste ; Water Research Volume 35, Issue 5, April 2001, Pages 1125-1134 ; doi:10.1016/S0043-1354(00)00389-4 (Résumé). Ils sont testés comme additif de traitement des eaux usées (pour l'élimination des métaux lourds et métalloïdes toxiques, l'éliminiation d'anions inorganiques tels que nitrates, fluor et phosphates, ainsi que certaines matières organiques indésirables dont certains colorants, composés phénoliques et bactéries).
11. ↑ ^{a, b et c} Shaobin Wang, H.M. Ang and M.O. Tadé ; Novel applications of red mud as coagulant, adsorbent and catalyst for environmentally benign processes ; Chemosphere ; Volume 72, Issue 11, August 2008, Pages 1621-1635 ; doi:10.1016/j.chemosphere.2008.05.013 (Résumé)
12. ↑ La Hongrie face à sa pire catastrophe écologique, Le Figaro. Consulté le 6 octobre 2010
13. ↑ http://www.lexpress.fr/actualites/2/l-usine-de-kolontar-en-hongrie-va-rouvrir-malgre-greenpeace_928193.html
14. ↑ INTAILRISK (Assessment of environmental risk of radioactively contaminated industrial tailings), (Page d'accueil du projet)consulté 2010/10/16