Le biogaz de décharge

1. Un sous-produit du traitement des déchets

Le biogaz est le produit gazeux de la dégradation biologique de la matière organique fermentescible opérée par différentes familles bactériennes en absence d’oxygène et en présence d’humidité.

Les déchets stockés en installation de stockage, bien que issus de processus de tri, contiennent une fraction résiduelle de matière organique qui, confinée dans les casiers, se trouve dans des conditions d’anoxie et de présence d’humidité qui favorisent sa dégradation par méthanogenèse.

Le biogaz ainsi produit est collecté par le gestionnaire de l’ISDND via un réseau de captage constitué de puits, drains et collecteurs qui sont maintenus en dépression afin d’éviter son émission dans l’environnement.

La teneur importante de méthane présent dans le biogaz (entre 40 et 60%) le rend particulièrement intéressant pour la production de Biométhane, cependant, le fait d’aspirer le biogaz, provoque des potentielles entées d’air au niveau des raccords des canalisations et parfois à travers des imperfections de la couverture (entre 10% et 30% du volume final capté).

On retrouve ainsi un biogaz « dilué à l’air » (présence significative de Azote et Oxygène) qui nécessite un traitement d’épuration spécifique pour permettre l’extraction de la molécule CH4.

Bien que le processus de dégradation à l’origine du biogaz issu d’unités de méthanisation et des installations de stockage de déchets soit le même (dégradation anaérobie = méthanisation), l’extraction du méthane du biogaz de ISDND est bien plus complexe à cause de la présence significative d’air. 

2. Une forte variabilité

a. Le débit de biogaz

Le volume de biogaz produit dépend de la quantité de déchets qui sont dégradés à un instant T.

Pendant la période d’exploitation d’une installation, les déchets sont progressivement stockés et les casiers (sous-divisions hydrauliquement indépendantes de l’emprise de stockage du site) sont progressivement équipés de réseau de dégazage et de couverture. La dégradation se met en place de façon progressive à une vitesse souvent proportionnelle à la teneur en matière fermentescible du massif et à sa teneur en eau.

Le volume de biogaz croit donc avec la dégradation progressive du massif et le débit aspiré augmente grâce à la progression de l’effort de captage.
Une fois le site comblé, l’apport de déchets, et donc de matière fermentescible, est arrêté et la production de biogaz, tout en se poursuivant, commence à décroitre et va continuer sa pente descendante jusqu’à l’épuisement de la matière organique stockée.

La production de biogaz suit donc une courbe « en forme de vague » qui rend compliqué la valorisation de la totalité du potentiel énergétique produit.

b. La composition du biogaz

Les principaux composants du biogaz issu de la dégradation de la matière organique sont le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2). La présence de soufre dans les déchets stockés (sous la forme de sulfates biodisponibles ou lié dans les macromolécules) est à l’origine de la production, par dégradation bactérienne, de composés soufrés volatiles odorants (mercaptans) et de dioxyde de soufre (H2S) en quantités généralement limitées mais variables de site à site (concentration allant de 0,05% jusqu’à 1%). Ces composés sont les principaux responsables des nuisances olfactives liées à l’exploitation des ISDND.

D’autres composants volatiles (COV, ammoniaque) sont présents à l’état de traces.

La quantité d’air dans le biogaz, peut atteindre plus de 30% du volume capté et varie en fonction de la dépression appliquée, de l’étanchéité du réseau aérien et des têtes de puits, de l’imperméabilité de la couverture.

Pour cette raison on considère l’Oxygène et l’Azote parmi les composants principaux du biogaz capté des ISDND.

La composition du biogaz varie en fonction des conditions d’exploitation, de l’âge et de la composition des déchets :

  • La composition et l’âge des déchets déterminent la quantité de matière organique résiduelle présente et sa biodégradabilité. Moins un déchet est facilement biodégradable, plus longue sera la phase de mise en place de la méthanisation. Le biogaz sera moins riche en CH4 et sera chargé en composés acides (acides gras, H2S…). On constate ce phénomène dans le ISDND contenant principalement des déchets industriels banals et des résidus de sélection.
  • Les conditions d’exploitation peuvent influer sur la teneur en eau du massif et sur l’aspiration d’air, facteurs qui peuvent inhiber localement la biodégradation (par déficit d’eau ou par oxydation du massif)

La composition du biogaz varie de façon importante également en fonction de plusieurs paramètres « extérieurs au massif » :

  • La dépression appliquée au réseau et donc l’aspiration d’air à travers les imperfections du réseau et de la couverture (graph ? demander à exploit )
  • La pression atmosphérique qui agit sur la pression interstitielle du massif des déchets (graph demander à exploit ) [Schéma : courbe de pression, d’O2 et de CH4) sur quelques jours]
  • La température (cycles journaliers et saisonniers) (graph) [Schéma : courbe de température, d’O2 et de CH4) sur quelques heures

La prise en compte de ces facteurs est fondamentale dans l’optimisation de la valorisation du potentiel énergétique du biogaz.

c. Un mot sur l’H2S ?

Les déchets contiennent des quantités non négligeables de soufre, le soufre étant présent dans la matière organique, dans la matière minérale (et notamment dans certains matériaux inertes utilisés pour l’exploitation des ISDND) et dans les produits industriels de consommation courante.

La teneur en sulfate des déchets industriels banals (DIB) est plus importante que celle des ordures ménagères résiduelles (OMR). Ainsi les ISDND recevant principalement des DIB ou des déchets pré traités avec un faible teneur en matière organique, indépendamment des conditions d’exploitation, sont susceptibles de produire plus H2S que celle recevant des OMR ou un mélange des deux.

La concentration en sulfure d’hydrogène (H2S) du biogaz collecté dans les installations de stockage de déchets non dangereux (ISDND) a tendance à augmenter depuis une dizaine d’années ; le phénomène est international.

La production d’importantes quantités d’H2S en ISDND est à l’origine des problématiques suivantes :

  • risque pour le personnel en lien direct avec la toxicité de la substance et l’inflammabilité du gaz ;
  • risque environnemental lié à l’émission de gaz polluants en sortie de torchères et moteurs (oxydes de soufre, SOx) et de non-conformité de ces rejets atmosphériques avec les exigences de l’autorisation du site ;
  • nuisances olfactives pour les riverains ;

La désulfuration est réalisée généralement en amont des installations de traitement et valorisation du biogaz pour assurer la protection des équipements et la conformité des rejets atmosphériques. En fonction de la teneur en H2S du gaz, cette étape de pré-traitement peut être très coûteuses.

 

3. Optimiser la production de biométhane d’une ISDND … le bioréacteur

Concept : technique qui consiste à accélérer les processus de dégradation et de stabilisation des déchets dans une enceinte confinée. Etudiée et appliquée à partir des années ’90 aux USA.

En pratique, cela se réalise via l’injection de liquides (de préférence lixiviats bruts mais parfois lixiviats pré-traités ou eaux pluviales) dans le massif des déchets isolé par les barrières d’étanchéité sur fond et flancs ainsi qu’en couverture. Le but principal est de favoriser la dégradation de la matière organique dans les ISDND en optimisant a teneur en eau des déchets et en induisant la circulation des liquides qui permet de diluer les éventuels inhibiteurs (ammoniaque, sels, soufre…). La finalité est de raccourcir le temps de dégradation et stabiliser plus rapidement les déchets.

Avec la progressive mise en place des couvertures étanches, qui permettent de limiter la production de lixiviats, le bioréacteur est devenu une nécessité dans le but de maintenir les conditions favorables à la biodégradation et éviter le phénomène de « tombe sèche » (teneur en eau dans les déchets insuffisante pour garantir la dégradation des déchets. La conséquence est la « momification » des déchets qui ne restent que partiellement dégradés).

Les experts du métier (FNADE et ADEME, guide technique 2009) préconisent la recirculation d’environ 100 à 200 l de lixiviats par tonne de déchets enfoui. L’objectif est de porter l’humidité des déchets qui est d’environ 30% au moment du stockage à 40-50% (en volume) pour assurer une dégradation optimale. Ce volume est apporté de façon graduelle afin d’éviter l’effet d’écoulement rapide via les cheminements préférentiels qui se créent dans le massif des déchets.

Les exemples en France montrent que les volumes recirculés sont bien inférieurs aux volumes préconisés et les rasions sont à rechercher dans la complexité de gestion de volumes très conséquents et également dans la réduction drastique de production de lixiviats des zones recouvertes par des couvertures étanches.

Il est nécessaire que, en cas de mise en place d’une couverture étanche, un volume MINIMAL équivalent à 10% de la pluviométrie soit apporté de façon régulière aux déchets afin de limiter l’inhibition de la dégradation due au déficit d’humidité.

4. Optimiser la production du biométhane par une meilleure gestion du réseau de collecte

La collecte du biogaz doit répondre à plusieurs enjeux qui sont parfois en opposition :

  • La nécessité de capter au maximum les composants à fort effet de serre (comme le méthane) pour les valoriser ou les détruire
  • Nécessite de limiter au maximum les émissions odorantes concentrées surtout dans les zones récentes
  • Le besoin de maximiser le pouvoir énergétique du biogaz à valoriser

 

Deux modes de gestion de l’aspiration sont appliqués sur les sites, mais ce n’est que la combinaison des deux en fonction des zones, voir des puits de captage qui permet d’optimiser réellement la gestion du biogaz :

=> Aspiration forcée. On parle d’un réglage en « mode dépollution. La dépression du réseau est maintenue à des niveaux élevés, l’aspiration d’air est tolérée jusqu’à des taux de 30%, la priorité est donnée à la limitation des odeurs.

=> Aspiration régulée. On parle de réglage en « mode valorisation ». La dépression du réseau est maintenue à des niveaux bas mais homogènes, l’aspiration d’air est limitée à moins de 15% garce à un réglage régulier des points de contrôle et grâce à la vérification de l’étanchéité du réseau.