Le gaz d’enfouissement
un sous-produit de la gestion des déchets
La récupération du gaz d’enfouissement pour produire du gaz naturel renouvelable (également appelé « biométhane ») représente un défi en termes de technologie et de coûts : le débit et la composition du gaz ne sont pas prévisibles et varient constamment. Il est essentiel de posséder une expertise dans le domaine du gaz d’enfouissement pour réussir un projet d’injection.
Trois types de gaz en proportions variables
Le gaz d’enfouissement est un mélange de trois gaz en proportions variables : le biogaz, qui est généré par la décomposition des matières organiques contenues dans les déchets, l’air, qui s’infiltre dans le réseau de collecte, et divers composés organiques volatils générés par les déchets.
1) Biogaz généré spontanément par la décomposition de matières organiques
Les déchets enfouis contiennent une proportion importante de matières organiques présentes sous la forme de déchets alimentaires, de déchets végétaux, de papier, de carton, de cuir, de bois. Ces matières représentent à peu près 50 % du tonnage total, qui tombe à 25 % lorsque les déchets sont triés en amont.
À l’intérieur des cellules, les matières organiques se décomposent sous l’action de divers micro-organismes, qui prolifèrent dans un milieu humide et privé d’oxygène. Les micro-organismes les plus actifs sont les bactéries dites « méthanogènes », qui génèrent du méthane (CH4) en tant que sous-produit métabolique dans des conditions hypoxiques.
Ce phénomène spontané produit un biogaz principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone (CO2). Il contient également des traces de sulfure d’hydrogène (H2S), d’ammoniaque (NH3), d’hydrogène (H2), de composés organiques sulfurés (appelés « thiols ») et différents gaz ou aérosols acides.
La proportion de chacun de ces composants varie au fil du temps au fur et à mesure que les matières organiques subissent différentes étapes de dégradation.
2) Infiltration d’air dans le réseau de collecte
Le méthane est un gaz hautement inflammable. C’est aussi un gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement est 20 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone. Les exploitants de site d’enfouissement doivent collecter ce gaz pour éviter des incendies et des explosions, ainsi que des rejets directs dans l’atmosphère. La collecte est également un bon moyen de réduire les nuisances olfactives (principalement causées par le sulfure d’hydrogène et l’ammoniac) et de faciliter le reverdissement du site.
Le système de collecte standard du gaz d’enfouissement consiste en un dispositif d’aspiration (aussi appelé « surpresseur ») relié à un réseau de puits installés verticalement ou horizontalement, ou les deux, dans la masse de déchets; ce réseau transporte le gaz vers une tour de torche ou une unité de récupération d’énergie. Comme ce réseau n’est jamais parfaitement étanche à l’air, il aspire également de l’air (oxygène et azote). Le volume d’air présent dans le gaz d’enfouissement dépend de différents facteurs tels que le réglage du dispositif d’aspiration, la perméabilité des parois de la cellule et l’étanchéité à l’air des conduites.
3) Composés organiques volatils (COV)
Le réseau de collecte aspire également des composés volatils produits par les déchets comme la peinture, les solvants, les détergents, etc. Ces composés comprennent des hydrocarbures, des siloxanes, des aérosols, des poussières, des particules et des composés métalliques volatiles. Ces divers composés à l’état de traces sont regroupés sous l’appellation « composés organiques volatils » (COV).
Composition chimique du gaz d’enfouissement
Le gaz acheminé à la tour de torche ou à l’unité de récupération d’énergie est un mélange de biogaz, d’air et de COV. Il est composé de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2), d’oxygène (O2) et d’azote (N2), auxquels s’ajoutent différents composés à l’état de traces. La proportion de chacun de ces gaz varie d’un site à l’autre; elle dépend du type de déchets enfouis, de la phase de dégradation et d’autres facteurs externes.
Le réglage du dispositif d’aspiration a une incidence directe sur le volume d’air dans le gaz d’enfouissement. Plus l’aspiration est forte, plus l’air s’infiltre dans le réseau de collecte en passant à travers les défectuosités. Les conditions météorologiques jouent également un rôle important : un taux d’humidité combiné à une température élevée stimule l’activité des bactéries et la production du biogaz. Les variations de pression atmosphérique ont également une incidence directe sur le taux d’oxygène présent dans le gaz d’enfouissement.
Le méthane (CH4)
Le gaz d’enfouissement contient entre 40 et 50 % de méthane (CH4) en moyenne. Le méthane est un gaz à rendement énergétique élevé : c’est le principal composant du gaz fossile que nous utilisons pour le chauffage et le transport.
La solution couramment employée pour récupérer du méthane contenu dans le gaz d’enfouissement consiste à le brûler dans une turbine pour produire de l’électricité. Cela dit, le rendement énergétique est faible. La technologie WAGABOX® permet de séparer le méthane des autres composants de manière à pouvoir l’injecter directement dans un réseau de gaz naturel en remplacement du gaz naturel fossile.
Le dioxyde de carbone (CO2)
Les molécules de carbone présentes dans le gaz d’enfouissement sous forme de dioxyde de carbone (CO2) ou de méthane (CH4) proviennent de la dégradation des matières organiques. Les molécules ont d’abord été absorbées par des organismes vivants au cours de leur croissance (par photosynthèse) et sont ensuite retournées dans l’atmosphère pendant la décomposition. Ce carbone organique n’augmente donc pas la quantité de carbone présent dans l’atmosphère (cycle court du carbone), contrairement à celui qui est émis par la combustion des combustibles fossiles.
Le carbone non biodégradable présent dans des matières organiques synthétiques comme le plastique reste piégé dans le sol. Un site d’enfouissement joue donc le rôle d’un « puits de carbone »; autrement dit, celui d’un réservoir qui contribue à diminuer la quantité de carbone dans l’atmosphère.
L’oxygène et l’azote (O2 et N2)
L’air représente 10 à 30 % de la composition du gaz d’enfouissement. Une concentration d’air élevée complique davantage la séparation du méthane : les technologies de filtration s’avèrent inefficaces, car les molécules de méthane, d’oxygène et d’azote sont de taille à peu près similaire, et le mélange peut devenir explosif dans certaines proportions.
La technologie WAGABOX® met en œuvre la cryogénie pour séparer le méthane des gaz d’air. Cette technologie garantit la production d’un gaz naturel renouvelable (biométhane) de haute qualité pouvant être injecté directement dans les réseaux de gaz naturel, peu importe les niveaux d’oxygène et d’azote dans le gaz d’enfouissement.
L’hydrogène sulfuré (H2S)
Le sulfure d’hydrogène (H2S) est un gaz hautement toxique et corrosif caractérisé par une forte odeur « d’œuf pourri ». Il attaque notamment l’acier et le cuivre, et doit être éliminé avant le processus de récupération d’énergie pour éviter tout risque de dommage aux équipements.
La concentration du gaz d’enfouissement en sulfure d’hydrogène et en d’autres composés soufrés (thiols) augmente sur les sites d’enfouissement qui réceptionnent des déchets industriels à forte teneur en soufre, notamment les plaques de cloison sèche utilisées dans la construction. Sur certains sites, les niveaux de concentration peuvent parfois atteindre 10 000 ppm (mesures effectuées par Waga Energy).
Les composés sulfurés constituent un facteur de risque pour le personnel, une source de nuisance olfactive pour les résidents et un coût supplémentaire à prendre en compte lorsqu’on élabore un projet de récupération d’énergie.
Un taux de production qui varie au fil du temps
La production du gaz d’enfouissement s’étend sur plusieurs décennies. Elle augmente à intervalles réguliers lorsque le site est en exploitation, et culmine quelques mois après la livraison du dernier chargement de déchets. Elle décline ensuite progressivement jusqu’à ce que toutes les matières organiques aient été décomposées.
Optimiser la récupération énergétique d’un site d’extraction de gaz d’enfouissement
Il est possible de contrôler partiellement la production de gaz d’un site d’enfouissement, notamment en régulant le système de collecte du gaz d’enfouissement et en réglant le dispositif d’aspiration. Il existe deux stratégies :
- Exploiter le réseau en mode « dépollution »
Le dispositif d’aspiration aspire le gaz à un débit élevé et entretient un vide important sur le site d’enfouissement. Cette stratégie permet de réduire les nuisances olfactives, mais elle augmente la concentration d’air jusqu’à 30 %. - Exploiter le réseau en mode « récupération »
Le dispositif d’aspiration maintient le vide à un niveau faible constant. Le fait de régler les vannes avec précision et d’assurer une étanchéité à l’air efficace du réseau de collecte du gaz d’enfouissement permet de maintenir la teneur en air au-dessous de 15 %.
L’exploitant d’un site d’enfouissement doit souvent combiner les différents réglages en fonction du niveau de production des différentes cellules et des contraintes parfois contradictoires : récupération du méthane, réduction des nuisances olfactives, réduction des émissions polluantes, etc.
Gérer des sites d’enfouissement avec un bioréacteur
Cette technologie a vu le jour aux États-Unis dans les années 90. L’objectif de la gestion d’un site d’enfouissement mettant en œuvre un bioréacteur est d’accélérer la dégradation des matières organiques et de stabiliser les déchets en les enfermant dans une enceinte confinée et en les irriguant avec les eaux de ruissellement du site, encore appelées « lixiviat ». Ce système permet de stimuler l’activité microbienne tout en diluant d’éventuels inhibiteurs (ammoniaque, sels, soufre…). Lorsque la cellule est recouverte d’une membrane étanche à l’air, il est impératif d’installer un bioréacteur pour permettre la dégradation des matières organiques et éviter la « momification » des déchets.
