Formation «Planification, construction, exploitation et fermeture des décharges contrôlées au Maroc»

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1 Formation «Planification, construction, exploitation et fermeture des décharges contrôlées au Maroc» un projet du Programme de Gestion et de Protection de l Environnement en Maroc (PGPE) en coopération avec Mai 24/ MiS Page 1 Formation Décharges contrôlées Module 2 Module 2 : Spécifications techniques applicables aux décharges Code de Bonnes Pratiques (CBP) 2 2 ème JOUR Présentation 7 : Stockage, traitement et élimination des lixiviats 09:00 09:30 Présentation 8 : Gestion des eaux de surface 09:30 10:00 Présentation 9 : Exercice : Dimt d un bassin d évaporation 10:00 10:30 Présentation 10 : Exemples d installations de traitement des lixiviats dans les pays du Maghreb 11:00 13:00 Présentation 11 : Exemples de planification de décharges 14:30 15:00 : Formation et propriétés du gaz de décharge 15:00 15:30 Présentation 13 : Exercice : Calcul de la quantité de biogaz 15:30 15:45 Présentation 14 : Captage, traitement et valorisation du biogaz 15:45 16:30 Discussion : Questions / Réponses 16:30 17:00 Page 2

2 CH 4 CO 2 : Formation et propriétés du gaz de décharge (CBP 2.7) 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge 4. Quantité de gaz de décharge Page 3 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge Les différents passages du gaz de décharge Décharge non-contrôlée Emissions de gaz de décharge directement dans l atmosphère Bâtiment Migration des gaz dans le sol (si pas d étanchéité de base) Couche de gravier k m/s Terrain naturel k m/s Migration des gaz dans les couches à haute perméabilité Page 4

3 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge Impacts environnementaux dus aux gaz de décharge : Danger d explosion Danger d incendie Effet de serre Mauvaises odeurs Problèmes de santé (cancer) Impacts directs sur la faune et flore D où la nécessité de capter les gaz produits par les décharges. Page 5 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge Emissions et nuisances issus d une décharge contrôlée Puits d extraction du gaz Evaporation Eaux de surface Gaz Précipitations Collecte des lixiviats Extraction du gaz de décharge Utilisation Traitement des lixiviats Page 6

4 CH 4 CO 2 : Formation et propriétés du gaz de décharge (CBP 2.7) 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge 4. Quantité de gaz de décharge Page 7 Le gaz de décharge est un biogaz naturel qui se forme par dégradation de la matière organique en anaérobie (absence de dioxygène). Il est principalement constitué de méthane (CH 4 ) et de dioxyde de carbone (CO 2 ). On retrouve également d autres gaz, tels que l'hydrogène (H 2 ), l'ammoniac (NH 3 ) ou le sulfure d hydrogène (H 2 S) Par ailleurs, le gaz de décharge contient également de l oxygène O 2 et du diazote N 2 qui ne sont pas «produits» au niveau de la décharge, mais qui sont aspiré avec l'air atmosphérique lors du captage du gaz (intrusions d air dans le corps de la décharge). Page 8

5 La composition du gaz de décharge est différente de celle du biogaz produit dans des installations de méthanisation (process techniques et contrôlés) Les raisons sont les suivantes : Les gaz de décharge sont de compositions variables à la surface et au fond de la décharge (gradients à la surface car intrusion d air) La composition du gaz change pendant le cycle de vie de la décharge (Durée de vie de la décharge : la composition des déchets évolue) Captage du gaz sous pression (aspiration de l air et donc de dioxygène dans le corps de la décharge) Le gaz est donc de moins bonne qualité que dans un process en cycle fermé sans intrusions de dioxygène. Page 9 Composition du gaz de décharge : 35 % - 50 % CO 2 < 5, 2 % autres 2 gaz 2 (H2 2, NH 3, 3 H 2 S, O 2, N 2, etc.) 50 %- 65 % CH 4 En général en décharge, le rapport entre les deux gaz est le suivant : CH 4 : CO 2 = 60 / 40 CH 4 : CO 2 = 50 / 50 Page 10

6 Composition du méthane CH 4 : Le méthane se compose de carbone et d hydrogène. Sa formule chimique est le CH4 C est un gaz à effet de serre nocif pour l'atmosphère. Son potentiel de réchauffement global est 20 à 30 fois plus élevé que celui du dioxyde de carbone (CO 2 ). Sa période de demi-vie dans l'atmosphère est estimée à env. 14 ans. Page 11 Emissions atmosphériques de méthane Source: UK Department of Environment / OC 1, Université de Siegen Page 12

7 Composition du dioxyde carbone CO 2 : Le dioxyde de carbone se compose de carbone et d oxygène. Sa formule chimique est le CO 2 O C O Il est naturellement présent dans l'atmosphère (env. 0,% de l'air). Toutefois, sa concentration dans l'atmosphère ne cesse d augmenter continuellement depuis de nombreuses années en raison des processus de combustion liés à l activité humaine: énergie, transport, industrie, chauffage Page 13 Evolution de la concentration en CO 2 dans l atmosphère sur 50 ans Source: Page 14

8 CH 4 CO 2 : Formation et propriétés du gaz de décharge (CBP 2.7) 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge 4. Quantité de gaz de décharge Page 15 Le gaz de décharge se forme : lors de la décomposition anaérobie de la matière organique. Différents facteurs influencent la formation et la qualité du gaz de décharge: Le type et l âge des déchets stockés, Le type et la quantité des composés organiques, La teneur en eau et la température des déchets. Page 16

9 1 La Teneur en eau L eau est indispensable pour que le gaz se forme. En général, une teneur en eau initiale de 25 % est suffisante pour que la production de gaz de décharge commence. Selon la littérature (source: Doedens), les valeurs suivantes déterminent l'influence de la teneur en eau sur le processus de décomposition anaérobie : Teneur en eau 15 % Processus à l arrêt Teneur en eau 30 % Processus retardé Teneur en eau 40 % Processus optimal Page 17 Influence de la teneur en eau dans le processus Formation réelle de gaz / formation de gaz dans les conditions optimales [%] Si la teneur en eau du corps de la décharge est inférieure à 20% : Pas de production de biogaz Teneur en eau [%] Source: Rettenberger 2008 Page 18

10 2 La Température La formation du gaz nécessite des températures constantes. Conditions de températures optimales : C : conditions psychrophiles C : conditions mésophiles C : conditions thermophiles T < 4 C ou T > 85 C : formation de gaz s arrête T > 85 C : des feux se déclarent dans le corps de la décharge Page 19 3 Le ph Le ph doit être compris entre 6,7 et 7,4 L alcalinité doit être supérieure à 2 g de CaCO 3 /l 3 en présence de déchets de démolition (gravats, etc.), cette limite est généralement atteinte Une concentration d acides organiques supérieure à 3 g/l perturbe le processus. 4 Nutriments et éléments traces Les proportions DCO/N/P doivent être de l ordre de ~ 800:5:1 Habituellement, ces conditions sont remplies au niveau de la décharge. Donc les bactéries disposent de suffisamment d éléments traces. Page 20

11 5 Le potentiel Redox la valeur optimale pour les bactéries méthanogène est ~ 530 mv (Il doit être > 330 mv) 6 L Oxygène diminue l activité des bactéries méthanogènes (inhibiteur!). 7 Fortes concentrations en H 2 S, métaux lourds, sels, etc. peut inhiber les processus de biodégradation En général, ces substances sont présentes en concentrations trop faibles pour avoir une action d inhibition sur la production de gaz dans les décharges. Page 21 Etapes de formation du gaz de décharge / Phases de la dégradation Biomasse : Protéines, Hydrates de carbone, graisse Acides aminés, sucres, glycérine, acides gras H 2 O, CO 2, Acide acétique Autres acides, alcool, etc. Biogaz CH4: % CO 2 : % 1. Hydrolyse 2. Fermentation acide 3. Méthanogenèse Page 22

12 Etapes de formation du gaz de décharge / Phases de la dégradation Conditions aérobies Conditions anaérobies Fermentation Hydrolyse acide Méthanogenèse instable Méthanogenèse stable N 2 CO O H 2 CH 4 Temps Source: Farquhar et Rovers etc. Page 23 CH 4 /CO 2 Gaz l/kg TS org Vol-% Quantité de gaz produit (essais en laboratoire) Déchets frais (1) TE: 81,5% (2) PF: 60,5% jours jours CH 4 /CO 2 Gaz l/kg TS org Vol-% Déchets décomposés (1) TE: 45,0% (2) PF: 31,9% jours jours Essais réalisés par : Pfeffer 185 m 3 /t Klein 235 m 3 /t Hilte 2 m 3 /t Stegmann m 3 /t Dogu m 3 /t En Allemagne, les essais sur les déchets frais ont montrés une production de biogaz comprise entre 120 et 300 m 3 par tonne de déchets. (1) TE = Teneur en eau (2) PF = Perte au feu Page 24

13 % vol. Etapes de formation du gaz de décharge / Phases de la dégradation Temps Phase post-exploitation Le professeur Rettenberger a complété le diagramme avec la phase postexploitation. Dans cette phase, la formation de gaz diminue lentement et de l air pénètre dans le casier. Source: Farquhar et Rovers, modifié par Rettenberger 1998 Page 25 CH 4 CO 2 : Formation et propriétés du gaz de décharge (CBP 2.7) 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge 4. Quantité de gaz de décharge Page 26

14 4. Quantité de gaz de décharge Les données nécessaires pour estimer la production de gaz de décharge sont : Le volume de la décharge et la quantité de déchets (par an) la composition des déchets (matières organiques) des informations sur l'exploitation de la décharge Page Quantité de gaz de décharge Influence de la teneur en matière organique Exemple de la teneur en matière organique de différents types de déchets en Allemagne ( ) : Types de déchets Teneur en MO Déchets ménagers ~ 200 kg C o /t Déchets de commerces max. 130 kg C o /t Déchets verts ~ 150 kg C o /t Boues de STEP (1) ~ 100 kg C o /t Déchets encombrants 0-70 kg C o /t Déchets de démolition 0-70 kg C o /t Matériaux inertes 0 kg C o /t 1) Dépend du traitement des boues dans la STEP Page 28

15 4. Quantité de gaz de décharge Equation pour calculer la quantité de gaz de décharge produite G t = 1,868 C o f 1 (0,4 υ + 0,28) (1-10 -kt ) f 2 en m³ gaz de décharge / tonne de déchet Avec : G t : C o : υ : Volume du gaz par tonne de déchet pendant la période t Carbone organique par tonne de déchet Température dans le casier (30-55 C) k: Facteur de dégradation (0,5-0,06) t : Temps (en année par rapport à l ouverture de la décharge) f 1 : Facteur de correction pour les pertes de carbone (par dégradation aérobie) f 2 : Facteur de correction pour l exploitation de la décharge / du système de captage des gaz Page Quantité de gaz de décharge Exemple : courbe de production de gaz de la décharge Grønmo, Oslo Quantité [m³/an] Quantités de gaz captables : méthane et CO 2 Gaz captable Méthane captable CO 2 captable Année Page 30

16 4. Quantité de gaz de décharge Prédiction de la quantité de gaz de décharge pour le casier «Kullebunnmyr» de la décharge Grønmo, Oslo Quantité de gaz [1.000 m³/an] Année Premier casier de la décharge, exploité entre Gaz de décharge capté et brûlé (encore aujourd hui) Page 31 Qtté de gaz captable [1.000 m³/a] 4. Quantité de gaz de décharge Prédiction de la quantité de gaz de décharge pour le casier «Kullebunnmyr» de la décharge Grønmo, Oslo ~ 70% du gaz est collecté 80% cumulated measured 50% collected 60 % collected 70% collected 80% collected 90% collected 100% collected Année Page 32 Qtté de gaz cumulée [1.000 m³]

17 CH 4 CO 2 : Formation et propriétés du gaz de décharge (CBP 2.7) 1. Emissions de gaz au niveau d une décharge 4. Quantité de gaz de décharge Page 33 Composition du gaz de décharge : 35 % - 50 % CO 2 < 5, % autres gaz (H 2, NH 3, H 2 S, O 2, N 2, etc.) 50 %- 65 % CH 4 Composant Composition Méthane (CH 4 ) 50-65% Dioxyde de carbone (CO 2 ) 35-50% Azote (N 2 ) < 1% Oxygène (O 2 ) < 1% Gaz organiques/inorganiques < 1% Vapeur d eau saturée Page 34

18 Courbe de saturation en eau du gaz de décharge Le gaz de décharge, qui se dégage de la décharge, est habituellement saturé d'eau (vapeur). Ainsi lors du refroidissement du gaz, de l eau de condensation est produite et peut boucher les conduites de dégazage. Page 35 Caractéristiques du gaz de décharge Tableau 1 PCS = Pouvoir Calorifique Supérieur Page 36

19 Caractéristiques du gaz de décharge Tableau 2 1 conditions standards pour conserver la puissance pour des pressions variables Page 37 Caractéristiques du gaz de décharge Tableau 3 1 Densité 2 Relation par rapport à la densité l air Page 38

20 Densité spécifique du gaz de décharge Pas de densité spécifique pour le gaz de décharge car la densité dépend du rapport CH 4 / CO 2. Densité spécifique du CH 4 : kg/m 3 Densité spécifique du CO 2 : kg/m 3 Densité spécifique de l air : kg/m 3 La densité du gaz de décharge est donc supérieure, égale ou inférieure à la densité de l air selon le rapport CH 4 / CO 2 dans le mélange constituant le gaz de décharge. Page 39 Densité spécifique du gaz de décharge Densité relative [-] 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 Relation CH 4 : CO 2 = 50 : 50 = 1 Densité du mélange = x la densité de l air 0,60 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Rapport CH 4 : CO 2 = 60 : 40 = 1,5 Densité = x la densité de l air Rapport CH 4 / CO 2 [-] Page 40

21 Concentration en CH 4 Graphique montrant les concentrations de CH4 explosives dans l'air Concentration en N 2 conditions explosives Concentration A B C Air 95% 58% 86% Azote (N 2 ) 0% 35% 0% Méthane (CH 4 ) 5% 7% 14% Le gaz de décharge est explosif lorsque la concentration en méthane est comprise entre 5 à 14%!!! Page 41 Eléments traces contenus dans le gaz de décharge Tableau 1 Paramètres Substances et groupes Concentration [mg/m 3 ] Paramètres Substances et groupes Concentration [mg/m 3 ] Acétaldéhyde ~ 20 Dichlorodifluorométhane Alkylbenzène ~ 100 Chlorotrifluorométhane 0-10 Ammoniaque 0-5 Dichlorométhane 0-6 Bicyclo(3,2,1)Octane 2,3Méthyl- 4-Méthylène Trichlorométhane 0-2 Benzène 0, - 7 Tétrachlorométhane 0-0,8 Butène ,1,1 Trichloroéthane 0,5-4 Butane 0,3-23 Chloroéthène (Chlorure de vinyle) Butanoate d éthyle 0-0,8 Dichloroéthène Butanoate de méthyle 0-5 Trichloroéthène Butylbenzène 0,3-1,4 Tétrachloroéthène 0-0,2 Méthanethiol Chlorobenzène 0-0,2 Sulfure de Diméthyle 0-0,4 Ethène 0,7-31 Heptane 3-8 Propane 1, Méthylheptane 0, - 2,5 Propène 0, - 10 Page 42

22 Eléments traces contenus dans le gaz de décharge Tableau 2 Paramètres Substances et groupes Concentration [mg/m 3 ] Paramètres Substances et groupes Concentration [mg/m 3 ] 3 Methylheptane 0, - 2,5 Pentane 0-12 Octane 0, Méthylpentane 0, - 1,5 Nonane 0, Méthylpentane 0, - 1,5 Cumène 0-32 Hexane 3-18 Trichlorofluorométhane 1-84 Cyclohexane 0, - 11 Décane 0, Méthylhexane 0, - 18 Bicyclo(3,1,0)Hexane 2,2 Methyl- 5-Methylène Méthylhexane 0, - 13 Undécane 7-48 Cyclohexane 2-8 Dodécane 2-4 Sulfure d hydrogène 0 Tridécane 0,2-1 Ethylbenzène 0,06-0,1 Propanoate d éthyle 0-0,06 Propylbenzène 1,7-3,0 Ethylbenzène 0,5-236 Thiol ~ 2 1,2,5 Méthylbenzène Formaldéhyde Traces Toluène 0,2-615 Terpène Traces m/p Xylène Alcanes et alcènes Traces o Xylène 0,2-7 Hydrogène N/A Page 43 Merci pour votre attention Gerd BURKHARDT Directeur général burkhardt@icp-ing.de Pélagie BALL Gestion de projets ball@icp-ing.de Auf der Breit Karlsruhe Allemagne Page 44