Le gaz de décharge, un sous-produit du stockage des déchets

La réalisation d’un projet de valorisation du gaz de décharge doit prendre en compte deux difficultés majeures : la production du gaz ne peut être contrôlée, et elle est appelée à varier sur la durée du projet. Une bonne connaissance des caractéristiques et des spécificités de ce gaz est indispensable à la réussite d’un projet d’injection.

Un mélange de trois gaz en proportions variables

Le gaz de décharge est formé par le mélange de trois gaz en proportions variables : le biogaz provenant de la fermentation des matières organiques, l’air qui pénètre dans le réseau de collecte, et différents composés organiques produits par les déchets.

Le biogaz

Les déchets stockés contiennent toujours une part importante de matières organiques résiduelles : déchets alimentaires, végétaux, papier, carton, cuir, bois, etc. Elles représentent environ 25 % des volumes lorsqu’un tri est effectué en amont et au moins la moitié dans le cas contraire. Dans un milieu humide et privé d’oxygène, ces matières organiques se dégradent sous l’action de différents micro-organismes. Parmi les plus actifs figurent des bactéries dites « méthanogènes », dont la respiration anaérobie produit du méthane (CH4). La fermentation des matières organiques génère ainsi un biogaz principalement constitué de méthane et de dioxyde de carbone (CO2), contenant également des traces de d’hydrogène sulfuré (H2S), d’amoniaque (NH4), d’hydrogène (H2), des composés organiques soufrés (appelés « mercaptan ») et différents acides à l’état gazeux ou sous forme d’aérosol. Sa composition varie selon l’avancée du processus de dégradation des matières organiques.

L’air

Le méthane est un puissant gaz à effet de serre et un gaz hautement inflammable. Il doit donc être capté pour empêcher son émission dans l’atmosphère et réduire les risques d’incendie ou d’explosion sur les sites de stockage des déchets. C’est aussi un moyen de limiter les nuisances olfactives et de faciliter la re-végétalisation du site. Le captage du biogaz s’effectue au moyen d’un dispositif d’aspiration (surpresseur) relié à un réseau de canalisations, dont les ramifications plongent au cœur des massifs de déchets, relié à une torchère ou une unité de valorisation. Cependant ce réseau n’est jamais parfaitement étanche : il aspire également de l’air (oxygène et azote). La quantité d’air présente dans le gaz de décharge dépend de différents paramètres tels que le réglage du surpresseur, la perméabilités des parois, ou l’étanchéité des canalisations.

Les composés organiques volatils

Le réseau de collecte n’aspire pas seulement le biogaz produit par fermentation des matières organiques, mais aussi des composés volatils provenant d’autres déchets : peintures, solvants, lessives, etc. On y trouve notamment des hydrocarbures, des siloxanes, des aérosols, des poussières, des particules et des métaux sous forme volatile. Ces différents composés, présents à l’état de traces, sont regroupés sous l’appellation de « composés organiques volatils » (COVs).

Composition du gaz de décharge

Le gaz qui parvient à la torchère (ou à l’unité de valorisation) est constitué 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 de la nature des déchets stockés, de l’avancée du processus de fermentation, mais aussi de facteurs externes au massif de déchets.
Le réglage du surpresseur influe ainsi directement sur la quantité d’air : plus l’aspiration est forte et plus l’air parvient à s’insinuer au travers des imperfections du réseau de collecte et de la couverture du massif de déchets. Les conditions météorologiques jouent également un rôle : un taux d’humidité et une température élevés stimulent 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 de décharge.

Influence de l’oxygène (O2) sur le taux de méthane (CH4) présent dans le gaz capté

 

Données collectées sur la WAGABOX® du site Suez de Gueltas (Morbihan)

• Le méthane

Le gaz de décharge contient en moyenne 40 à 50 % de méthane (CH4). Le méthane est un gaz énergétique : c’est le principal composant du gaz naturel fossile que nous consommons pour le chauffage et le transport. Le méthane contenu dans le gaz de décharge était jusqu’à présent valorisé principalement par combustion, sous forme de chaleur ou d’électricité. La technologie WAGABOX® permet désormais de séparer les autres composants pour l’injecter directement dans les réseaux de gaz, en substitution du gaz naturel fossile.

• L’oxygène et l’azote

La présence d’air (oxygène et azote) est l’une des principales caractéristiques du gaz de décharge. Il représente 10 à 30 % du volume. La séparation du méthane de l’oxygène et de l’azote est très difficile : les technologies utilisées pour l’épuration du biogaz de méthanisation (constitué uniquement de méthane et de dioxyde de carbone) sont inopérantes. La technologie WAGABOX® est la seule à pouvoir séparer le méthane quel que soit la proportion d’air dans le gaz de décharge.

• Le dioxyde de carbone

Les molécules de carbone présentes dans le gaz de décharge, que ce soit sous forme de dioxyde de carbone (CO2) ou de méthane (CH4), proviennent de la dégradation des matières organiques : il s’agit de carbone organique produit à l’origine par la photosynthèse, transformation du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère en matière organique par les végétaux – phénomène qui est la source de la production de toute matière organique (cycle court du carbone). Le dioxyde de carbone émis par le gaz de décharge, ou par la combustion du méthane qu’il contient, est donc neutre vis-à-vis de l’atmosphère.
En outre, le carbone non biodégradable, contenu dans les matières organiques synthétiques comme le plastique, est quant à lui stocké. Un site de stockage des déchets s’apparente ainsi à un « puits de carbone », c’est-à-dire à un réservoir contribuant à diminuer la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

• L’hydrogène sulfuré

L’hydrogène sulfuré (H2S) est un gaz hautement toxique, caractérisé par une odeur « d’œuf pourri », et très corrosif. Il attaque notamment l’acier et le cuivre. Il est nécessaire de l’éliminer avant que le gaz ne parvienne à la torchère ou à une unité de valorisation. La concentration du gaz de décharge en hydrogène sulfuré et autres composés soufrés (mercaptans) tend à augmenter depuis quelques années. Cela est dû notamment à l’arrivée de déchets industriels chargés en soufre, notamment les plaques de plâtre utilisées dans le bâtiment. Sur certains sites, Waga Energy a mesuré ponctuellement des valeurs approchant les 10 000 ppm. Les composés soufrés constituent un facteur de risque pour le personnel, une source de nuisance olfactive pour les riverains, et un coût important à prendre en compte dans un projet de valorisation.

Une production variable dans la durée

La production de gaz d’un site de stockage s’étend sur plusieurs décennies. Elle augmente régulièrement pendant la phase d’exploitation du site pour culminer quelques mois après l’arrivée des derniers déchets. Elle décline ensuite progressivement pendant plusieurs années, voire plusieurs décennies si la quantité de déchets stockée est importante, jusqu’à la dégradation totale des matières organiques.

Production de biogaz d'une ISDND

Optimiser la valorisation énergétique

La production de gaz d’un site de stockage peut être en partie contrôlée à travers le pilotage du réseau et notamment le réglage du surpresseur. Il existe principalement deux stratégies :

  • Pilotage du réseau en mode « dépollution »
    Le surpresseur aspire fortement le gaz et entretient une dépression importante au sein du massif de déchet. Cela permet de réduire les nuisances olfactives mais augmente la concentration d’air jusqu’à 30 %.
  • Pilotage du réseau  en mode « valorisation »
    Le surpresseur maintient la dépression à un niveau faible et régulier. Un réglage précis des vannes et une bonne étanchéité du réseau de collecte maintient la proportion d’air en dessous de 15 %.

L’opérateur d’un site de stockage doit souvent combiner ces réglages en fonction de la production des différentes zones d’exploitations (appelées « casiers ») et en prenant en compte des contraintes parfois contradictoires : valorisation du méthane, réduction des nuisances olfactives, réduction des émissions polluantes, etc.

La gestion du site de stockage des déchets en bioréacteur

Apparue aux États-Unis dans les années 90, la gestion d’un site de stockage en mode « bioréacteur » vise à accélérer le processus de la dégradation des matières organiques et la stabilisation des déchets, en les enfermant dans une enceinte confinée et irriguée par les eaux de ruissellement (appelées « lixiviats »). Ce dispositif permet de stimuler l’activité microbienne tout en diluant d’éventuels inhibiteurs (ammoniaque, sels, soufre…). Lorsque le casier est recouvert d’une membrane étanche, la mise en place d’un bioréacteur est obligatoire pour permettre la dégradation des matières organiques et éviter la « momification » des déchets.