Valorisation des déchets de l’Environnement de l’Homme

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Expliquer ce que signifie l’intégration d’une compétence d’analyse (CA) dans le cadre du programme de SVT Terminale. 2. Décrire les procédés de valorisation des déchets papiers (serviettes jetables, papier cadeau, papier hygiénique) et des déchets plastiques (bouteilles recyclées, pavés). 3. Quantifier les avantages environnementaux, économiques et sociaux de la valorisation des déchets à l’aide de calculs simples (bilans de masse, d’énergie, d’émissions de gaz à effet de serre). 4. Réaliser une synthèse critique des étapes de recyclage en identifiant les points forts et les limites de chaque filière. 5. Mobiliser les connaissances acquises pour résoudre des problèmes de type baccalauréat (interprétation de graphiques, rédaction de schémas, résolution de problèmes de proportionnalité). **Prérequis** : - Notions de base sur les cycles de la matière (carbone, azote, eau) étudiées en Seconde et Première. - Concepts de masse volumique, de densité et de rendement (pourcentage). - Notions de proportionnalité et de règle de trois simples. - Lecture et interprétation de tableaux et de graphiques (camembert, histogrammes). - Vocabulaire de base lié au développement durable (déchet, recyclage, valorisation, empreinte carbone). > **À retenir** : L’intégration d’une compétence d’analyse (CA) consiste à mettre en relation plusieurs savoirs afin de produire une explication globale d’un phénomène complexe. ## Introduction contextualisée La gestion des déchets constitue l’un des défis majeurs du développement durable. Au Cameroun, comme dans de nombreux pays en développement, la production de déchets solides municipaux augmente rapidement du fait de l’urbanisation et de l’évolution des modes de consommation. Selon le Rapport national sur l’état de l’environnement (2022), le Cameroun génère environ 0,6 kg de déchets par habitant et par jour, dont près de 30 % sont des papiers et cartons et 12 % des plastiques. La valorisation des déchets, c’est‑à‑dire leur transformation en matières premières secondaires ou en énergie, permet de réduire la pression sur les ressources naturelles, de limiter les émissions de gaz à effet de serre et de créer des activités économiques locales. Le programme officiel MINESEC/IGE pour la série D, C et TI de la Terminale SVT insiste sur deux axes : * l’**apprentissage de l’intégration** des compétences d’analyse (CA) qui vise à faire établir des liens entre les connaissances acquises (cycles biogéochimiques, principes de la thermodynamique, notions de rendement) et les problématiques concrètes de gestion des déchets ; * la **valorisation pratique** des déchets papiers et plastiques à travers des travaux dirigés (TP) qui illustrent les procédés industriels de recyclage et permettent de mesurer leurs avantages. Ce cours présente, dans l’ordre prescrit par le programme, les huit séances dédiées à ce thème. Chaque séance débute par une définition précise, suivie des propriétés essentielles, d’une démonstration (lorsque cela est pertinent) et d’au moins deux exemples entièrement résolus, du plus simple au plus délicat. --- ## I. Séance 95 : Apprentissage de l’intégration CA 19 ### A. Définition de l’intégration CA 19 > **À retenir** : L’intégration CA 19 désigne la capacité à mettre en relation les connaissances sur les cycles de la matière (notamment le cycle du carbone) avec les procédés de valorisation des déchets afin d’évaluer l’impact global d’une action de recyclage sur l’environnement. Cette compétence s’appuie sur trois piliers : 1. **Compréhension du cycle du carbone** : fixation du CO₂ par la photosynthèse, respiration, décomposition, combustion. 2. **Notion de bilan matière** : entrée = sortie + accumulation (ou perte). 3. **Concept de rendement énergétique** : rapport entre l’énergie utile récupérée et l’énergie totale mise en jeu. ### B. Propriétés de l’intégration CA 19 - **Linéalité** : l’impact environnemental global d’une combinaison d’actions est la somme des impacts de chaque action, sous réserve d’absence d’interactions synergiques ou antagonistes. - **Transitivité** : si l’action A améliore le bilan carbone du processus B, et que B améliore celui du processus C, alors A améliore indirectement celui de C. - **Additivité des économies** : les économies de ressources (eau, énergie, matières premières) provenant de différentes filières de valorisation se somment. ### C. Démonstration d’un résultat clé Nous démontrons que le recyclage d’une tonne de papier permet d’économiser approximativement 1,2 t de CO₂ équivalent, en supposant les valeurs suivantes (données moyennes issues de l’ADEME) : - Production de papier vierge : émission de 2,4 t CO₂ / t papier. - Production de papier recyclé : émission de 1,2 t CO₂ / t papier (du fait de l’économie de bois, d’eau et d’énergie). **Économie de CO₂** = Émission vierge – Émission recyclé $$ \Delta CO_{2}= 2,4\; \text{t} - 1,2\; \text{t}= 1,2\; \text{t CO}_{2}\text{équivalent} $$ Cette égalité montre l’additivité des économies : chaque tonne de papier recyclé évite l’émission de 1,2 t de CO₂. ### D. Exemples résolus **Exemple 1 (simple)** : Une usine produit 500 kg de papier hygiénique à partir de fibres vierges. Quelle quantité de CO₂ est évitée si elle utilise du papier recyclé à la place ? *Données* : 1 t papier vierge → 2,4 t CO₂ ; 1 t papier recyclé → 1,2 t CO₂. **Étapes** : 1. Convertir la masse en tonnes : 500 kg = 0,5 t. 2. Émission vierge pour 0,5 t : $0,5 \times 2,4 = 1,2$ t CO₂. 3. Émission recyclé pour 0,5 t : $0,5 \times 1,2 = 0,6$ t CO₂. 4. Économie : $1,2 - 0,6 = 0,6$ t CO₂. **Réponse** : 0,6 t de CO₂ évitée, soit 600 kg. **Exemple 2 (délicat)** : Une collectivité souhaite remplacer 80 % de son approvisionnement en papier cadeau (consommation annuelle 12 t) par du papier recyclé. Calculer l’économie annuelle de CO₂ et le pourcentage de réduction par rapport à la situation initiale (100 % vierge). *Données* : mêmes facteurs d’émission que précédemment. **Étapes** : 1. Consommation totale = 12 t. 2. Papier vierge restant = 20 % × 12 t = 2,4 t. 3. Papier recyclé utilisé = 80 % × 12 t = 9,6 t. 4. Émission vierge pour 2,4 t : $2,4 \times 2,4 = 5,76$ t CO₂. 5. Émission recyclé pour 9,6 t : $9,6 \times 1,2 = 11,52$ t CO₂. 6. Émission totale après substitution : $5,76 + 11,52 = 17,28$ t CO₂. 7. Émission initiale (100 % vierge) : $12 \times 2,4 = 28,8$ t CO₂. 8. Économie : $28,8 - 17,28 = 11,52$ t CO₂. 9. Pourcentage de réduction : $\frac{11,52}{28,8}\times 100 = 40\%$. **Réponse** : Économie de 11,52 t CO₂ / an, soit une réduction de 40 % des émissions liées au papier cadeau. --- ## II. Séance 96 : Valorisation des déchets papiers : Production des serviettes jetables, papier cadeau, papier hygiénique et de l’énergie TP N°27 : Recyclage du papier en serviettes jetables, en papier hygiénique, en papier cadeau ### A. Définition de la valorisation des déchets papiers > **À retenir** : La valorisation des déchets papiers consiste à transformer les papiers usagés (journaux, cartons, bureautique) en nouveaux produits papier ou en énergie, grâce à des opérations de collecte, de tri, de pulping, de décoloration et de reformage. ### B. Processus de recyclage du papier 1. **Collecte et tri** : séparation des papiers propres (sans nourriture, sans huiles) des contaminants. 2. **Broyage** : les papiers sont déchiquetés en petits fragments. 3. **Pulping** : les fragments sont mélangés à de l’eau et parfois à des produits chimiques (soude, agents de blanchiment) pour former une pâte fibreuse. 4. **Épuration** : élimination des encres, des colles et des particules métalliques par flottation ou filtration. 5. **Blanchiment (optionnel)** : pour obtenir une pâte blanche, on utilise du peroxyde d’hydrogène ou du chlore sous forme de dioxyde de chlore (méthode ECF). 6. **Formage** : la pâte est étalée sur un tapis métallique, pressée et séchée pour obtenir une feuille de papier. 7. **Finissage** : selon le produit final (serviette, papier cadeau, papier hygiénique), on applique du gaufrage, du parfumage ou du revêtement. ### C. Produits obtenus et leurs caractéristiques | Produit | Masse typique par unité | Utilisation principale | Part de fibres recyclées typique | |---------|------------------------|------------------------|---------------------------------| | Serviette jetable | 4–6 g | Hygiène de table, restauration | 70–90 % | | Papier hygiénique | 2–3 g par feuille | Hygiène personnelle | 80–100 % | | Papier cadeau | 15–25 g par feuille (selon épaisseur) | Emballage décoratif | 50–70 % | ### D. Aspect énergétique Le recyclage du papier consomme moins d’énergie que la production de pâte vierge. Selon l’ADEME, la fabrication d’une tonne de papier à partir de fibres recyclées nécessite environ 2 500 kWh, contre 4 500 kWh pour la pâte vierge, soit une économie de près de 45 %. > **À retenir** : Chaque kilowattheure économisé lors du recyclage du papier évite l’émission d’environ 0,06 kg de CO₂ (en moyenne du mix énergétique camerounais). ### E. Exemples résolus **Exemple 1 (simple)** : Une usine produit 10 000 serviettes jetables, chacune pesant 5 g de papier. Quelle masse de papier recyclé est nécessaire, sachant que le rendement du procédé est de 85 % (c’est‑à‑dire que 85 % de la masse de papier entrant devient serviette) ? *Étapes* : 1. Masse totale de serviettes = $10\,000 \times 5\text{ g}= 50\,000\text{ g}= 50\text{ kg}$. 2. Masse de papier nécessaire avant pertes = $\frac{50\text{ kg}}{0,85}= 58,82\text{ kg}$. 3. Arrondi : 58,8 kg de papier recyclé. **Réponse** : Environ 58,8 kg de papier recyclé sont requis. **Exemple 2 (délicat)** : Un lycée souhaite fabriquer 500 rouleaux de papier hygiénique. Chaque rouleau contient 150 feuilles de 2 g chacune. Le procédé de recyclage présente un taux de perte de fibres de 12 % lors du blanchiment et de 8 % lors du formage. Calculer la masse brute de papier à introduire dans le procédé. *Données* : - Masse par feuille = 2 g. - Feuilles par rouleau = 150. - Nombre de rouleaux = 500. **Étapes** : 1. Masse utile (papier réellement présent dans les rouleaux) : $500 \times 150 \times 2\text{ g}= 1\,500\,000\text{ g}= 1\,500\text{ kg}$. 2. Pertes totales : blanchiment 12 % + formage 8 % = 20 % (on suppose que les pertes sont séquentielles et donc multiplicatives). En réalité, la masse initiale $M_0$ subit d’abord une perte de 12 % → $0,88 M_0$, puis une perte de 8 % sur le reste → $0,92 \times 0,88 M_0 = 0,8096 M_0$. Ainsi, la fraction conservée = 0,8096. 3. Masse brute nécessaire : $M_0 = \frac{1\,500\text{ kg}}{0,8096}= 1\,852,9\text{ kg}$. 4. Arrondi : 1 853 kg de papier brut. **Réponse** : Il faut introduire environ 1,85 t de papier usagé dans le procédé pour obtenir les 500 rouleaux souhaités. --- ## III. Séance 97 : Valorisation des déchets plastiques et avantages de la valorisation des déchets (suite et fin) TP N°28 : Recyclage des déchets plastiques en bouteilles recyclées et transformation des déchets plastiques en pavés ### A. Définition de la valorisation des déchets plastiques > **À retenir** : La valorisation des déchets plastiques regroupe les opérations qui transforment les polymères usagés (PET, PEHD, PP, etc.) en nouvelles matières premières secondaires (granulés, flocons) ou en produits finis (bouteilles, pavés, géotextiles) grâce à des étapes de tri, de broyage, de lavage, de fusion et de reformage. ### B. Processus de recyclage des plastiques 1. **Tri par type de polymère** (spectroscopie proche infrarouge, densité). 2. **Broyage** : réduction en flocons de 5–10 mm. 3. **Lavage** : élimination des contaminants (sols, étiquettes, résidus alimentaires) à l’aide d’eau chaude et de détergents. 4. **Séchage** : suppression de l’humidité (souvent <0,05 %). 5. **Extrusion** : les flocons sont fondus (température selon le polymère : PET ≈ 260 °C, PEHD ≈ 130 °C) et filtrés pour obtenir des granulés homogènes. 6. **Mise en forme** : - *Bouteilles* : soufflage d’une préforme PET chauffée puis étirée et soufflée dans un moule. - *Pavés* : mélange de granulés plastiques avec du sable ou du gravier, chauffage, mise en moule vibré et refroidissement. ### C. Avantages de la valorisation des déchets plastiques | Dimension | Avantages concrets | |-----------|-------------------| | **Environnemental** | Réduction de l’extraction de pétrole brut (≈1,6 t de pétrole évitée par tonne de PET recyclé), baisse des émissions de CO₂ (≈1,5 t CO₂ / t PET recyclé), diminution des déchets en décharge et de la pollution marine. | | **Économique** | Création d’emplois locaux (tri, extrusion, moulage), baisse du coût des matières premières pour les fabricants, génération de revenus par la vente de granulés. | | **Social** | Sensibilisation au tri sélectif, amélioration du cadre de vie (moins de dépotoirs sauvages), possibilités d’insertion professionnelle pour les jeunes. | > **À retenir** : Selon l’UNEP, le recyclage d’une tonne de PET permet d’économiser suffisamment d’énergie pour alimenter une maison moyenne pendant près de deux mois. ### D. Exemples résolus **Exemple 1 (simple)** : Une usine de recyclage PET reçoit 2 t de bouteilles usagées. Après lavage et séchage, le rendement de récupération de flocons propres est de 90 %. Quelle masse de flocons obtient‑on ? *Étapes* : 1. Masse récupérée = $2\text{ t} \times 0,90 = 1,8\text{ t}$. **Réponse** : 1,8 t de flocons PET. **Exemple 2 (délicat)** : Un projet vise à produire 10 000 pavés de 20 kg chacun, composés à 70 % de plastique recyclé (PEHD) et à 30 % de sable. Le procédé d’extrusion‑moulage présente un taux de perte de plastique de 5 % (dégradation lors de la chauffe) et un taux de perte de sable de 2 % (évaporation d’humidité). Calculer la masse totale de PEHD brut et de sable brut à introduire. *Données* : - Masse d’un pavé = 20 kg. - Nombre de pavés = 10 000 → masse totale des pavés = $20 \times 10\,000 = 200\,000\text{ kg}= 200\text{ t}$. - Fraction plastique dans le pavé = 0,70 → masse plastique utile = $0,70 \times 200\text{ t}= 140\text{ t}$. - Fraction sable = 0,30 → masse sable utile = $0,30 \times 200\text{ t}= 60\text{ t}$. **Étapes pour le plastique** : - Pertes plastique = 5 % → fraction conservée = 0,95. - Masse brute de PEHD nécessaire = $\frac{140\text{ t}}{0,95}= 147,368\text{ t}$. **Étapes pour le sable** : - Pertes sable = 2 % → fraction conservée = 0,98. - Masse brute de sable nécessaire = $\frac{60\text{ t}}{0,98}= 61,224\text{ t}$. **Réponse** : Il faut introduire environ 147,4 t de PEHD brut et 61,2 t de sable brut pour obtenir les 10 000 pavés souhaités. --- ## IV. Séance 98 : Apprentissage de l’intégration CA 20 ### A. Définition de l’intégration CA 20 > **À retenir** : L’intégration CA 20 désigne la capacité à relier les connaissances sur les flux d’énergie (premier et deuxième principes de la thermodynamique) avec les procédés de valorisation des déchets afin d’évaluer le bilan énergétique global d’une filière de recyclage. Cette compétence s’appuie sur : 1. **Premier principe de la thermodynamique** : conservation de l’énergie (Énergie entrée = Énergie sortie + énergie stockée + pertes). 2. **Deuxième principe** : notion d’entropie et de dégradation de l’énergie (une partie de l’énergie se transforme en chaleur inutile). 3. **Concept de rendement énergétique** : $\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{entrée}}}$. ### B. Propriétés de l’intégration CA 20 - **Additivité des rendements** : pour une chaîne de procédés, le rendement global est le produit des rendements intermédiaires ($\eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times …$). - **Conservation de l’énergie** : toute énergie entrée apparaît sous forme d’énergie utile, de chaleur résiduelle ou de travail mécanique. - **Irréversibilité** : les pertes par frottement, chauffage et dégradation des polymères sont irréversibles et augmentent l’entropie du système. ### C. Démonstration d’un résultat clé Nous montrons que le rendement global d’une filière de recyclage du PET (lavage → extrusion → soufflage) est d’environ 0,55, en supposant les rendements suivants (valeurs typiques issues d’études industrielles) : - Lavage et séchage : $\eta_1 = 0,85$ (15 % d’énergie perdue en chauffage de l’eau). - Extrusion (fusion + filtration) : $\eta_2 = 0,70$ (30 % perdu en chauffage et en dégradation thermique). - Soufflage des bouteilles : $\eta_3 = 0,92$ (8 % perdu en travail mécanique et en pertes de pression). **Rendement global** : $$ \eta_{\text{global}} = 0,85 \times 0,70 \times 0,92 = 0,5474 \approx 0,55 $$ Ainsi, seulement 55 % de l’énergie entrée dans le procédé se retrouve sous forme d’énergie utile contenue dans la bouteille finale ; le reste se dissipe sous forme de chaleur. ### D. Exemples résolus **Exemple 1 (simple)** : Une ligne de recyclage du PEHD consomme 120 kWh d’électricité pour produire 150 kg de granulés. Calculer le rendement énergétique si l’énergie théorique nécessaire pour fondre le PEHD (chaleur spécifique + chaleur de fusion) est de 80 kWh pour la même masse. *Étapes* : 1. Rendement = $\frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{entrée}}} = \frac{80}{120}= 0,6667$. 2. En pourcentage : 66,7 %. **Réponse** : Rendement énergétique ≈ 66,7 %. **Exemple 2 (délicat)** : Une usine souhaite produire 5 000 bouteilles PET de 500 ml chacune. Chaque bouteille nécessite 25 g de PET vierge. Le procédé de recyclage présente un rendement matière de 78 % (masse de PET recyclé obtenue par rapport à la matière plastique d’entrée) et un rendement énergétique de 60 % (énergie utile / énergie consommée). L’énergie théorique nécessaire pour produire une bouteille à partir de PET vierge est de 0,12 kWh. Déterminer : a) La masse de plastique d’entrée nécessaire. b) L’énergie électrique totale à fournir. *Données* : - Masse PET par bouteille = 25 g. - Nombre de bouteilles = 5 000 → masse PET utile = $5\,000 \times 25\text{ g}=125\,000\text{ g}=125\text{ kg}$. **a) Masse d’entrée** : Rendement matière = 0,78 → masse d’entrée = $\frac{125\text{ kg}}{0,78}= 160,256\text{ kg}$. **b) Énergie utile** : Énergie utile pour 5 000 bouteilles = $5\,000 \times 0,12\text{ kWh}= 600\text{ kWh}$. Rendement énergétique = 0,60 → énergie à fournir = $\frac{600\text{ kWh}}{0,60}= 1\,000\text{ kWh}$. **Réponse** : a) Environ 160,3 kg de plastique d’entrée (principalement PET usagé). b) 1 000 kWh d’énergie électrique doivent être fournis au procédé. --- ## V. Séance 44 : Apprentissage de l’intégration CA 11 ### A. Définition de l’intégration CA 11 > **À retenir** : L’intégration CA 11 consiste à mettre en relation les connaissances sur les cycles biogéochimiques (notamment le cycle de l’azote) avec les procédés de valorisation des déchets organiques (compostage, méthanisation) afin d’évaluer l’impact sur la fertilité des sols et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. ### B. Propriétés de l’intégration CA 11 - **Couplage carbone‑azote** : la matière organique apportée au sol contient un rapport C/N qui influence la minéralisation de l’azote. - **Conservation de la masse** : la masse d’azote entrant dans le système (déchets + engrais) égale la masse d’azote sortant (plantes, lessivage, émissions gazeuses) plus l’accumulation dans le sol. - **Effet de retard** : la libération d’azote mineralisé peut se produire sur plusieurs semaines à mois après l’apport du compost. ### C. Démonstration d’un résultat clé Nous démontrons que l’ajout de 1 t de compost contenant 1,5 % d’azote total augmente la réserve d’azote minéralisable du sol de 4,5 kg N, en supposant un taux de minéralisation de 30 % pendant la première saison de culture. *Calcul* : - Azote total dans le compost = $1\text{ t} \times 0,015 = 15\text{ kg N}$. - Azote minéralisable = $15\text{ kg} \times 0,30 = 4,5\text{ kg N}$. > **À retenir** : Le compostage permet de recycler l’azote des déchets organiques sous une forme lentement disponible, réduisant ainsi les besoins en engrais minéraux. ### D. Exemples résolus **Exemple 1 (simple)** : Un jardinier apporte 200 kg de compost contenant 2 % d’azote total. Quelle quantité d’azote est potentiellement disponible si le taux de minéralisation est de 25 % ? *Étapes* : 1. Azote total = $200\text{ kg} \times 0,02 = 4\text{ kg N}$. 2. Azote disponible = $4 \times 0,25 = 1\text{ kg N}$. **Réponse** : 1 kg d’azote potentiellement disponible. **Exemple 2 (délicat)** : Une coopérative agricole veut remplacer 30 % de son apport d’engrais azoté minéral (UREA, 46 % N) par du compost provenant des déchets de cuisine. Le besoin annuel d’azote de la culture est de 120 kg N. Le compost utilisé contient 1,8 % N et présente un taux de minéralisation de 35 % sur la saison. Calculer la masse de compost nécessaire pour couvrir la partie substituée. *Données* : - Azote nécessaire total = 120 kg N. - Partie à remplacer = 30 % → azote à fournir par le compost = $0,30 \times 120 = 36\text{ kg N}$. **Étapes** : 1. Azote réellement disponible par kg de compost = $0,018 \times 0,35 = 0,0063\text{ kg N/kg compost}$. 2. Masse de compost requise = $\frac{36\text{ kg N}}{0,0063\text{ kg N/kg}} = 5\,714,29\text{ kg} \approx 5,7\text{ t}$. **Réponse** : Environ 5,7 t de compost sont nécessaires pour remplacer 30 % de l’engrais minéral. --- ## VI. Séance 45 : Valorisation des déchets papiers TP 19 : Recyclage du papier en serviettes jetables, en papier hygiénique, en papier cadeau Cette séance reprend les principes de la Séance 96, mais met l’accent sur la réalisation pratique en laboratoire ou en atelier. ### A. Objectif du TP Produire, à partir de papier de bureau usagé, trois types de produits : serviettes jetables, papier hygiénique et papier cadeau, en maîtrisant les étapes de pulping, de blanchiment (optionnel) et de formage. ### B. Protocole expérimental (résumé) 1. **Préparation de la matière première** : couper le papier en bandes de 2 cm, peser 200 g. 2. **Pulping** : placer les bandes dans un récipient avec 1 L d’eau chaude (60 °C) et ajouter 2 g de NaOH (pour augmenter le pH à 9). Mélanger 10 min à l’aide d’un agitateur mécanique. 3. **Épuration** : filtrer le mélange à travers un tamis de 0,5 mm pour retirer les impuretés (agrafe, plastique). 4. **Blanchiment (facultatif)** : ajouter 5 mL de peroxyde d’hydrogène à 3 % et laisser agir 15 min. 5. **Formage** : verser la pâte sur un tamis métallique, presser à l’aide d’un rouleau pour éliminer l’excès d’eau, puis sécher à l’air libre ou dans un four à 60 °C pendant 2 h. 6. **Découpage** : selon le produit souhaité, découper des feuilles de dimensions appropriées (serviette : 20 × 20 cm ; papier hygiénique : rouleau de 10 cm de largeur, longueur variable ; papier cadeau : feuille de 30 × 40 cm). 7. **Contrôle qualité** : mesurer l’épaisseur (avec un pied à coulisse), la résistance à la traction (test simple avec un dynamomètre) et l’absorbance (goutte d’eau). ### C. Résultats attendus - **Serviettes jetables** : épaisseur ≈ 0,25 g/cm², bonne absorbance, résistance à la traction suffisante pour un usage unique. - **Papier hygiénique** : épaisseur ≈ 0,15 g/cm², douceur relative, bonne capacité d’absorption. - **Papier cadeau** : épaisseur ≈ 0,30 g/cm², surface lisse permettant l’impression. ### D. Exemple de calcul de rendement matière Lors du TP, 200 g de papier de bureau ont donné 150 g de feuille sèche après pressage et séchage. **Rendement matière** = $\frac{150}{200}=0,75$ → 75 %. > **À retenir** : Les pertes principales proviennent de l’évaporation de l’eau et de l’élimination des particules non fibreuses lors du filtrage. --- ## VII. Séance 46 : Avantages de la valorisation des déchets TP 20 : - Recyclage des déchets plastiques en bouteilles recyclées - Transformation des déchets plastiques en pavés Cette séance met l’accent sur l’évaluation des avantages environnementaux et économiques des deux filières plastiques étudiées en Séance 97. ### A. Évaluation de l’empreinte carbone 1. **Bouteilles PET recyclées** : - Émission de CO₂ pour produire 1 t de PET vierge ≈ 2,1 t CO₂. - Émission pour produire 1 t de PET recyclé ≈ 0,9 t CO₂ (économie de 1,2 t CO₂). 2. **Pavés PEHD‑sable** : - Production de 1 t de PEHD vierge ≈ 1,8 t CO₂. - Utilisation de PEHD recyclé réduit l’émission à ≈ 0,7 t CO₂ (économie de 1,1 t CO₂). - Le sable, matériau abondant, n’entraîne pratiquement aucune émission de CO₂ liée à son extraction lorsqu’il provient de carrières locales. ### B. Analyse coûts‑bénéfices simplifiée | Filière | Coût matière première (FCFA/t) | Coût énergie (FCFA/t) | Valeur du produit fini (FCFA/t) | Bénéfice net approximatif | |---------|-------------------------------|-----------------------|--------------------------------|---------------------------| | Bouteilles PET recyclées | 250 000 (déchets triés) | 80 000 | 600 000 | +270 000 | | Pavés PEHD‑sable | 180 000 (PEHD recyclé) + 20 000 (sable) | 100 000 | 500 000 | +200 000 | > **À retenir** : Même avec des coûts de collecte et de tri, la valorisation des déchets plastiques reste rentable tant que le prix de vente du produit fini dépasse la somme des coûts de matière première et d’énergie. ### C. Exemple de calcul d’économie de CO₂ pour une municipalité Une ville collecte 150 t de bouteilles PET usagées par an. Si elle les recycle entièrement, quelle est l’économie annuelle de CO₂ par rapport à la production de PET vierge ? *Données* : économie de 1,2 t CO₂ par tonne de PET recyclé. **Calcul** : $150\text{ t} \times 1,2\text{ t CO₂/t}= 180\text{ t CO₂}$. **Réponse** : Économie de 180 t de CO₂ / an. --- ## VIII. Séance 47 : Apprentissage de l’intégration CA 11 et 12 ### A. Définition des compétences CA 11 et CA 12 - **CA 11** (voir Séance 44) : intégration des cycles biogéochimiques (azote, carbone) avec la valorisation des déchets organiques. - **CA 12** : capacité à mettre en relation les connaissances sur les flux d’énergie (premier et deuxième principes de la thermodynamique) avec les procédés de valorisation des déchets énergétiques (méthanisation, incinération avec récupération de chaleur). > **À retenir** : L’intégration CA 11 + 12 consiste à analyser simultanément les bilans de matière (azote, carbone) et d’énergie d’une filière de traitement des déchets organiques afin d’évaluer sa performance globale en termes de fertilité des sols et de production d’énergie renouvelable. ### B. Propriétés de l’intégration combinée - **Couplage matière‑énergie** : la dégradation anaérobie de la matière organique libère du méthane (CH₄) qui possède une haute densité énergétique (≈55,5 MJ/kg). - **Conservation du carbone** : le carbone des déchets organiques se retrouve soit dans le digestat (fertilisant), soit dans le biogaz (CH₄ + CO₂), soit sous forme de CO₂ résiduel après combustion du méthane. - **Effet de synergie** : la chaleur récupérée lors de la combustion du méthane peut être utilisée pour maintenir la température du digesteur, améliorant ainsi le rendement de méthanisation. ### C. Démonstration d’un résultat clé : bilan carbone d’une unité de méthanisation Nous considérons une unité qui traite 10 t de déchets alimentaires contenant 30 % de matière sèche (MS) et un rapport C/N de 20. **Étapes** : 1. Masse de MS = $10\text{ t} \times 0,30 = 3\text{ t}$. 2. Carbone dans la MS (en supposant 50 % de C dans la matière organique) : $3\text{ t} \times 0,50 = 1,5\text{ t C}$. 3. Azote dans la MS : $ \frac{1,5\text{ t C}}{20}=0,075\text{ t N}=75\text{ kg N}$. 4. Lors de la méthanisation, environ 60 % du carbone se transforme en CH₄, le reste en CO₂. - Carbone en CH₄ = $1,5 \times 0,60 = 0,9\text{ t C}$. - Masse de CH₄ produite : chaque mole de CH₄ (16 g) contient 12 g de C → facteur de conversion = $\frac{16}{12}=1,333$. Masse CH₄ = $0,9\text{ t C} \times 1,333 = 1,2\text{ t CH₄}$. 5. Énergie théorique du CH₄ : pouvoir calorifique inférieur (PCI) ≈ 50 MJ/kg → $1,2\text{ t} \times 50\text{ MJ/kg}= 60\,000\text{ MJ}= 16,7\text{ MWh}$. 6. Le digestat restant contient $1,5-0,9=0,6\text{ t C}$ et la totalité de l’azote (75 kg N), constituant un amendement organique riche. > **À retenir** : Une tonne de déchets alimentaires peut produire environ 120 kg de CH₄, soit assez d’énergie pour chauffer une maison moyenne pendant plusieurs jours, tout en restituant un fertilisant azoté. ### D. Exemples résolus **Exemple 1 (simple)** : Un digesteur de 5 t de déchets verts (MS = 25 %) produit 0,35 t de CH₄. Calculer le rendement en masse de CH₄ par tonne de matière sèche. *Données* : - Masse de MS = $5\text{ t} \times 0,25 = 1,25\text{ t}$. - Rendement = $\frac{0,35\text{ t CH₄}}{1,25\text{ t MS}}= 0,28\text{ t CH₄/t MS}=280\text{ kg CH₄/t MS}$. **Réponse** : 280 kg de CH₄ produit par tonne de matière sèche. **Exemple 2 (délicat)** : Une ferme veut couvrir 40 % de ses besoins en électricité (12 000 kWh/an) grâce à la combustion du biogaz issu de la méthanisation de son fumier de bovins. Le fumier produit 0,25 m³ de biogaz par kg de MS, contenant 60 % de CH₄ (volumique). Le pouvoir calorifique du CH₄ est 50 MJ/kg et sa densité est 0,717 kg/m³. Déterminer la quantité de fumier (en tonnes de MS) nécessaire annuellement. *Données* : - Énergie nécessaire = 12 000 kWh = $12\,000 \times 3,6\text{ MJ}= 43\,200\text{ MJ}$. - Seulement 40 % à fournir par le biogaz → énergie à produire = $0,40 \times 43\,200 = 17\,280\text{ MJ}$. **Étapes** : 1. Énergie produite par 1 kg de CH₄ = 50 MJ. 2. Masse de CH₄ nécessaire = $\frac{17\,280\text{ MJ}}{50\text{ MJ/kg}}= 345,6\text{ kg CH₄}$. 3. Volume de biogaz contenant cette masse de CH₄ : - Fraction volumique de CH₄ = 0,60. - Densité du CH₄ = 0,717 kg/m³ → masse de CH₄ dans 1 m³ de biogaz = $1 \times 0,60 \times 0,717 = 0,4302\text{ kg}$. - Volume de biogaz requis = $\frac{345,6\text{ kg}}{0,4302\text{ kg/m³}}= 803,5\text{ m³}$. 4. Production de biogaz par kg de MS = 0,25 m³/kg → MS nécessaire = $\frac{803,5\text{ m³}}{0,25\text{ m³/kg}}= 3\,214\text{ kg}= 3,21\text{ t MS}$. **Réponse** : Environ 3,2 t de matière sèche de fumier sont nécessaires chaque année pour couvrir 40 % des besoins électriques de la ferme via la méthanisation. --- ## Synthèse du chapitre - **Intégration des compétences d’analyse (CA)** : capacité à relier des savoirs disciplinaires (cycles biogéochimiques, thermodynamique) avec les procédés de valorisation des déchets pour produire une explication globale. - **Valorisation des déchets papiers** : étapes de collecte, tri, pulping, épuration, blanchiment, formage ; production de serviettes jetables, papier hygiénique, papier cadeau ; économies d’énergie et de CO₂ significatives (≈40–50 % d’économie d’énergie, réduction de 30–50 % des émissions de GES). - **Valorisation des déchets plastiques** : tri par polymère, broyage, lavage, séchage, extrusion, mise en forme (bouteilles PET, pavés PEHD‑sable) ; économies de matière première (pétrole) et d’énergie ; réduction des émissions de CO₂ de l’ordre de 1,2–1,5 t CO₂ / t de plastique recyclé. - **Avantages environnementaux** : baisse de l’extraction de ressources vierges, diminution des déchets en décharge, réduction des émissions de gaz à effet de serre, économies d’énergie. - **Avantages économiques** : création d’emplois locaux, baisse des coûts de matière première pour les industriels, génération de revenus par la vente de produits recyclés. - **Avantages sociaux** : amélioration du cadre de vie, sensibilisation au tri, possibilités d’insertion professionnelle. - **Bilan matière et énergie** : application des principes de conservation de la masse et de l’énergie, calculs de rendements matière et énergétique, utilisation de la règle de trois et de pourcentages pour dimensionner les procédés. - **Méthanisation** : couplage matière‑énergie, production de CH₄ (énergie renouvelable) et de digestat (fertilisant), récupération de chaleur pour améliorer le rendement. ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Valorisation** | Transformation d’un déchet en matière première secondaire, en produit ou en énergie, afin de lui donner un nouvel usage. | | **Intégration CA** | Mise en relation de plusieurs connaissances disciplinaires (ex. cycles de la matière, thermodynamique) pour expliquer un phénomène complexe lié à la gestion des déchets. | | **Pulping** | Opération consistant à disperser les fibres de papier dans l’eau pour obtenir une pâte fibreuse. | | **Extrusion** | Processus de fusion et de mise sous pression d’un polymère pour obtenir un profil continu (granulés, feuilles, tubes). | | **Méthanisation** | Dégradation anaérobie de la matière organique produisant du biogaz (CH₄ + CO₂) et un digestat riche en nutriments. | | **Rendement matière** | Rapport entre la masse de produit utile obtenue et la masse de matière première entrée dans le procédé. | | **Rendement énergétique** | Rapport entre l’énergie utile récupérée et l’énergie totale consommée lors d’un procédé. | | **Biogaz** | Mélange de gaz principalement composé de méthane (CH₄) et de dioxyde de carbone (CO₂) issu de la dégradation anaérobie de la matière organique. | | **Digestat** | Résidu solide ou liquide issu de la méthanisation, utilisé comme amendement organique riche en azote, phosphore et potassium. | | **Empreinte carbone** | Quantité totale de gaz à effet de serre (exprimée en équivalent CO₂) émise directement ou indirectement par une activité ou un produit. | | **C/N** | Rapport carbone/azote d’une matière organique, influençant la vitesse de minéralisation de l’azote dans le sol. | | **PCI** | Pouvoir calorifique inférieur, quantité d’énergie libérée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible, eau de combustion restant sous forme de vapeur. | | **Flottation** | Technique de séparation basée sur les différences de densité, utilisée pour éliminer les encres et les colles lors du recyclage du papier. | | **Granulés** | Petites particules homogènes de polymère obtenues après extrusion, utilisées comme matière première pour la mise en forme. | | **Taux de minéralisation** | Fraction de l’azote organique qui se transforme en formes minérales (NH₄⁺, NO₃⁻) disponibles pour les plantes durant une période donnée. | ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 Une usine de recyclage du papier reçoit 3 t de journaux usagés. Après pulping et épuration, elle obtient 2,4 t de pâte propre. Calculer le rendement matière du procédé. **Corrigé** : Rendement = $\frac{2,4\text{ t}}{3\text{ t}} = 0,80 = 80\%$. ### Exercice 2 Un lycée souhaite fabriquer 2 000 rouleaux de papier hygiénique. Chaque rouleau contient 120 feuilles de 1,8 g chacune. Le procédé de recyclage présente un taux de perte de fibres de 10 % lors du blanchiment et de 7 % lors du formage. Quelle masse de papier de bureau doit être introduite en entrée ? **Corrigé** : 1. Masse utile = $2\,000 \times 120 \times 1,8\text{ g}= 432\,000\text{ g}= 432\text{ kg}= 0,432\text{ t}$. 2. Fraction conservée après pertes : blanchiment 0,90, formage 0,93 → $0,90 \times 0,93 = 0,837$. 3. Masse d’entrée = $\frac{0,432\text{ t}}{0,837}= 0,516\text{ t}= 516\text{ kg}$. **Réponse** : Environ 0,52 t (ou 520 kg) de papier de bureau sont nécessaires. ### Exercice 3 Une municipalité collecte 180 t de bouteilles PET usagées par an. Sachant que la production de PET vierge émet 2,1 t CO₂ / t et que le PET recyclé émet 0,9 t CO₂ / t, quelle est l’économie annuelle de CO₂ si tout le PET collecté est recyclé ? **Corrigé** : Économie par tonne = $2,1 - 0,9 = 1,2\text{ t CO₂/t}$. Économie totale = $180 \times 1,2 = 216\text{ t CO₂}$. **Réponse** : 216 t de CO₂ évitées par an. ### Exercice 4 Un digesteur traite 8 t de fumier bovin contenant 20 % de matière sèche. Le biogaz produit contient 55 % de CH₄ (volumique) et la densité du CH₄ est 0,80 kg/m³. Si chaque kilogramme de MS produit 0,30 m³ de biogaz, calculer le volume de CH₄ obtenu annuellement. **Corrigé** : 1. Masse de MS = $8\text{ t} \times 0,20 = 1,6\text{ t}= 1\,600\text{ kg}$. 2. Volume de biogaz = $1\,600\text{ kg} \times 0,30\text{ m³/kg}= 480\text{ m³}$. 3. Volume de CH₄ = $480\text{ m³} \times 0,55 = 264\text{ m³}$. **Réponse** : 264 m³ de CH₄ sont produits chaque année. ### Exercice 5 Une usine de production de pavés utilise du PEHD recyclé et du sable. Chaque pavé de 25 kg contient 65 % de PEHD et 35 % de sable. Le procédé présente une perte de PEHD de 4 % et une perte de sable de 1,5 %. Déterminer la masse brute de PEHD et de sable nécessaire pour produire 5 000 pavés. **Corrigé** : 1. Masse totale des pavés = $5\,000 \times 25\text{ kg}=125\,000\text{ kg}=125\text{ t}$. 2. Masse utile de PEHD = $0,65 \times 125\text{ t}=81,25\text{ t}$. 3. Masse utile de sable = $0,35 \times 125\text{ t}=43,75\text{ t}$. 4. Masse brute de PEHD = $\frac{81,25}{0,96}=84,64\text{ t}$. 5. Masse brute de sable = $\frac{43,75}{0,985}=44,44\text{ t}$. **Réponse** : Environ 84,6 t de PEHD brut et 44,4 t de sable brut sont nécessaires. ### Exercice 6 (synthèse) Une communauté veut mettre en place une filière de valorisation des déchets organiques basée sur la méthanisation. Elle dispose de 12 t de déchets de cuisine contenant 18 % de matière sèche et un rapport C/N de 15. Le digesteur produit du biogaz contenant 50 % de CH₄ (volumique). Chaque kilogramme de matière sèche produit 0,28 m³ de biogaz. Le pouvoir calorifique du CH₄ est 50 MJ/kg et sa densité est 0,72 kg/m³. a) Calculer le volume annuel de CH₄ produit. b) Déterminer l’énergie théorique (en kWh) pouvant être obtenue par combustion de ce CH₄. c) Si la communauté souhaite couvrir 30 % de sa consommation électrique annuelle de 150 000 kWh, quelle fraction du biogaz produite doit être utilisée pour la production d’électricité (le reste pouvant être utilisé pour la chaleur) ? **Corrigé** : **a)** - Masse de MS = $12\text{ t} \times 0,18 = 2,16\text{ t}=2\,160\text{ kg}$. - Volume de biogaz = $2\,160 \times 0,28 = 604,8\text{ m³}$. - Volume de CH₄ = $604,8 \times 0,50 = 302,4\text{ m³}$. **b)** - Masse de CH₄ = volume × densité = $302,4\text{ m³} \times 0,72\text{ kg/m³}= 217,73\text{ kg}$. - Énergie théorique = $217,73\text{ kg} \times 50\text{ MJ/kg}= 10\,886,5\text{ MJ}$. - Conversion en kWh : $10\,886,5\text{ MJ} \div 3,6 = 3\,024,0\text{ kWh}$. **c)** - Énergie nécessaire pour 30 % de la consommation = $0,30 \times 150\,000 = 45\,000\text{ kWh}$. - Énergie disponible par m³ de CH₄ : - Masse de CH₄ dans 1 m³ = $1 \times 0,50 \times 0,72 = 0,36\text{ kg}$. - Énergie par m³ = $0,36 \times 50 = 18\text{ MJ} = 5\text{ kWh}$ (puisque $18/3,6=5$). - Volume de CH₄ nécessaire pour produire 45 000 kWh = $\frac{45\,000}{5}=9\,000\text{ m³}$ de CH₄. - Mais le volume de CH₄ produit annuellement n’est que 302,4 m³, donc il est impossible de couvrir 30 % de la consommation uniquement avec ce biogaz. - Fraction du biogaz nécessaire = $\frac{45\,000\text{ kWh}}{3\,024\text{ kWh}} = 14,9$ → 1490 % (impossible). **Conclusion** : Avec les données fournies, le biogaz produit ne peut couvrir qu’environ 2 % de la consommation électrique (puisque $3\,024/150\,000 = 0,02016$ → 2 %). Pour atteindre 30 %, il faudrait augmenter la quantité de déchets traités ou améliorer le rendement de méthanisation. **Réponse détaillée** : a) 302,4 m³ de CH₄ par an. b) Environ 3 024 kWh d’énergie théorique. c) Le biogaz disponible permet de couvrir seulement ≈2 % de la consommation électrique ; pour atteindre 30 % il faudrait multiplier par ~15 la quantité de déchets traités ou améliorer significativement le rendement. ## Erreurs fréquentes 1. **Confondre rendement matière et rendement énergétique** - *Piège* : croire qu’un rendement matière de 80 % implique automatiquement un rendement énergétique de 80 %. - *Correction* : le rendement énergétique dépend de la consommation d’énergie du procédé (chauffage, extrusion, etc.) et peut être très différent du rendement matière. Toujours calculer séparément les deux rendements à l’aide des formules appropriées. 2. **Oublier de convertir les unités avant d’appliquer une règle de trois** - *Piège* : utiliser directement des kilogrammes et des tonnes dans le même calcul sans conversion, conduisant à des résultats erronés de facteur 1 000. - *Correction* : systématiquement convertir toutes les masses en la même unité (kg ou t) avant d’appliquer les proportions. Utiliser un tableau de conversion pour vérifier. 3. **Négliger les pertes successives (multiplicatives) plutôt que additives** - *Piège* : ajouter les pourcentages de perte (ex. 10 % + 5 % = 15 %) alors que les pertes se produisent en séquence et doivent être multipliées (0,90 × 0,95 = 0,855). - *Correction* : représenter chaque étape par un facteur de conservation (1 − perte) et multiplier ces facteurs pour obtenir le facteur global. 4. **Utiliser une valeur d’émission de CO₂ inadaptée au contexte local** - *Piège* : prendre une valeur d’émission de CO₂ pour la production de plastique vierge issue d’études européennes et l’appliquer directement au Cameroun sans tenir compte du mix énergétique local. - *Correction* : préciser que les valeurs utilisées sont des moyennes internationales ou, si possible, citer des études spécifiques au contexte africain ; sinon, garder une approche qualitative (« les émissions sont nettement inférieures ») plutôt qu’une valeur numérique précise lorsqu’on n’est pas sûr. 5. **Interpréter le rapport C/N comme une proportion directe d’azote disponible** - *Piège* : croire qu’un C/N de 20 signifie que 5 % de la matière est de l’azote, alors que le C/N exprime le rapport masse carbone / masse azote. - *Correction* : rappeler que % N = $\frac{100}{1 + C/N}$ seulement si on connaît la fraction de carbone ; sinon, calculer l’azote à partir de la masse carbone connue et du rapport C/N. 6. **Ne pas tenir compte de l’étape de séchage dans le bilan énergétique du recyclage du papier** - *Piège* : considérer seulement l’énergie de pulping et oublier l’énergie nécessaire pour évaporer l’eau lors du séchage, ce qui sous-estime fortement la consommation énergétique. - *Correction* : inclure systématiquement l’énergie de vaporisation de l’eau (≈2,26 MJ/kg d’eau évaporée) dans le bilan énergétique du procédé. --- *Ce cours fournit toutes les connaissances nécessaires pour maîtriser le thème « Valorisation des déchets de l’Environnement de l’Homme » au niveau de la Terminale SVT, séries D, C, TI, conformément au programme officiel MINESEC/IGE du Cameroun. Il peut être étudié seul, sans recours à un manuel supplémentaire, et prépare efficacement aux épreuves du baccalauréat.*