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 3 ème JOUR : Dimensionnement d un système de dégazage 09:00 10:00 Présentation 16 : Construction d un système de dégazage 10:00 10:30 Présentation 17 : Exploitation / coût d un système de dégazage 11:00 11:30 Présentation 18 : Mise en décharges des boues de STEP 11:30 12:00 Présentation 19 : Systèmes d étanchéité de surface (capping) 13:30 14:30 Présentation 20 : Fermeture des décharges et réaménagement 14:30 15:30 Discussion : Questions / Réponses 15:30 16:00 Examen final du module 2 16:00 16:30 Page 2

2 : Dimensionnement d un système de dégazage (CBP 2.7) Page Calcul de la quantité de gaz de décharge 1.2 Puits de gaz (verticaux) 1.3 Collecteurs horizontaux 1.4 Séparateurs de condensat Page 4

3 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Il existe plusieurs formules, par exemple : La formule de Tabasaran / Rettenberger, qui est couramment utilisée en Allemagne. La formule de l Agence de protection de l environnement (EPA, US), qui est utilisée aux USA et dans le monde entier pour estimer la quantité de gaz disponible dans le cadre des projets MDP (CDM) (LandGEM version 3., Landfill Gas Emissions Modell). Page 5 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Equation de Tabasaran et Rettenberger (Allemagne) G kt t = 1,868 C o f 1 (0,4 υ + 0,28) (1 10 ) f 2 en m³ gaz de décharge / tonne de déchet Avec: G t : Volume du gaz par tonne de déchet pendant la période t C o : Carbone organique par tonne de déchet υ : Température dans le casier (3055 C) k: Facteur de dégradation (0,0350,06) 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 Page 6

4 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Equation utilisée par le programme LandGEM de l EPA (USA) n 1 Q QCH 4 = kl0 ( )e kt ij t=1 j=0,1 Avec: Q CH4 Production annuelle de méthane pour l année de calcul (m 3 /an) i Pas de temps = 1 an n (Année de calcul) (Année initiale de réception des déchets) j Pas de temps = 0,1 an k Taux de production de méthane (année 1) L o Capacité de production de méthane potentielle (m 3 /tonne) M i Quantité de déchets acceptée pendant l année i (tonnes) t ij Age du casier j, dans le lequel une masse Mi de déchets a été receptionnée pendant l année i (année décimale, e.g.: 3,2 ans) Page 7 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Attention! Ces deux formules ont été développées pour les déchets ménagers bruts (non prétraités ou mélangés) en Europe centrale (Allemagne) ou aux USA. Les conditions d application ne correspondent donc pas à celles des déchets et décharges d Afrique du Nord, car la composition des déchets y est très différente. En Afrique du Nord, la teneur en matière organique des déchets, et donc la teneur en eau des déchets est beaucoup plus élevée qu en Allemagne ou aux Etats Unis. Page 8

5 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Composition des déchets ménagers Au Maroc En Europe Page 9 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge La composition des déchets étant différente en Afrique du Nord : Les formules, ou les valeurs des paramètres qui sont habituellement fixées, ne peuvent pas être transposées directement de l Europe (ou des USA) à l Afrique du Nord. En particulier dans le cas de la formule du LandGEM : il faudrait définir la valeur à fixer pour Lo (Capacité de production de méthane potentielle) Dans la formule de Tabasaran / Rettenberger, la valeur de Co (Carbone organique par tonne de déchets) peut être estimée à partir de la composition des déchets. Page 10

6 Valeurs typiques de la production potentielle de gaz pour les déchets en Allemagne et aux USA (sources diverses) Source Type d essai, Conditions de l essai, etc. Production de gaz m 3 /t déchets ménagers Production de gaz m 3 /t déchets secs Ham et Al. Essai en laboratoire 240 Ham et al. Essai en laboratoire 210 Ham et al. 190 Tabasaran Doedens Cellule d essai Chakraverty et al Conney u. Wise 37 C 224 Conney u. Wise 65 C 328 Pfeffer Essai en laboratoire 35 C 131 Pfeffer Essai en laboratoire 40 C 167 Pfeffer Essai en laboratoire 50 C 182 Klein 235 Hilte 204 Stegmann Dogu Essai en laboratoire Ehrig Calul à partir des fractions isolées 204 Page 11 Constantes de dégradation et demivies pour la dégradation de différents types de déchets : 1) facilement biodégradable; 2) moyennement biodégradable; 3) difficilement biodégradable Source Type de déchets Constante de dégradation Demivie Base e Base 10 [Années] Tabasaran Déchets ménagers 0,07 10 Rettenberger Déchets ménagers 0,288 2,4 Tabasaran und Données générales, 0,50, Rettenberger Mesures sur décharges 0,0350,04 8,67,5 Déchets de cuisine 1) 0,693 1 Hoeks / Rovers et al. Déchets verts 2) 0,139 5 Papier, Carton, Bois 3) 0, Hoeks et al. Mesures sur décharges 0,1 7 Staufer Déchets verts et déchets de cuisine 1) 1,5 Papier 2) 25 Moolenaar Bowermann Ham et al. Déchets de cuisine, Papier 1) Déchets verts, Carton 2) Bois 3) Déchets de cuisine, Herbes 1) Carton, Papier, Textiles et Bois 2) Plastique 3) 1,84 1,15 0,115 Déchets de cuisine 1) Papier, Bois, Déchets verts 2) Page ,4 0,

7 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Constante de dégradation et température La constante de dégradation montre, que les déchets de cuisine sont en général très facilement et rapidement biodégradables, contrairement au carton, au papier et surtout au bois qui nécessitent bien plus de temps. Les matières plastiques ne sont biodégradables qu à très long terme. Leur dégradation se produit d ailleurs plus par vieillissement que sous l action des microorganismes (à l exception des plastiques spéciaux, produits pour être biodégradables). Dans le corps des décharges où les températures sont élevées, le gaz de décharge se forme en plus grande quantité et plus vite que dans les décharges où les températures sont faibles. Page 13 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Décharges en Afrique du Nord Dans les décharges d Afrique du Nord, où les déchets ont une teneur en matière organique (déchets de cuisine) et une teneur en eau bien plus élevée qu en Europe centrale, les déchets sont en comparaison plus facilement et plus rapidement biodégradable. En raison de la forte teneur en eau dans le corps des décharges, le gaz est beaucoup plus difficile à collecter qu en Europe centrale ou aux USA, où les pores du corps de la décharge sont remplis d air (ou de gaz). Page 14

8 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Etude de cas n 1 avec l Equation de Tabasaran et Rettenberger (Allemagne): Calcul de gaz de décharge à l exemple de la décharge d Erroumani/Tunisie (planification 22) à l aide du programme développé par ICP Page 15 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Etude de cas n 2 avec l Equation utilisée par le programme LandGEM (USA): Calcul de gaz de décharge à l exemple de la décharge d Erroumani/Tunisie (planification 22) à l aide du programme développé par ICP Page 16

9 Calcul de la quantité de gaz produite par une décharge Résultats Page Calcul de la quantité de gaz de décharge 1.2 Puits de gaz (verticaux) 1.3 Collecteurs horizontaux 1.4 Séparateurs de condensat Page 18

10 Dimensionnement des puits de gaz (verticaux) En Europe, en général, les puits de gaz sont mis en place selon un quadrillage de 50x50 à max. 60x60 m. Il existe deux méthodes de mise en place des puits : Elévation des puits au fur et à mesure pendant l exploitation Forage des puits après remplissage de la décharge et atteinte du niveau final L expérience a montré que la distance de 50 à 60 m entre les puits était suffisante en Europe pour atteindre un bon taux de captage du gaz de décharge. Cela, quelle que soit la méthode de mise en place des puits, et bien que (en Europe aussi), les puits soient parfois inondés ou abîmés sous l action des tassements des déchets dans la décharge. Page 19 Positionnement des collecteurs verticaux dans la décharge Rayon d action estimé des puits de dégazage ~ 25 m Source: ICP 2009, Décharge de Feilheck, Heidelberg/Allemagne Page 20

11 Positionnement des collecteurs verticaux dans la décharge Source: ICP 2009, Décharge de Kabouti, Tunisie Page 21 Dimensionnement des puits de gaz (verticaux) Détermination du rayon d action des puits de gaz (d après Tabasaran & Rettenberger) Avec: Q ab Capacité d aspiration du puits en m 3 /h h p A Q p Longueur de la partie perforée du puits Capacité d aspiration spécifique du puits (en Europe centrale en moyenne env. 2 m 3 /h. m) Production de gaz dans le rayon d action du puits, en m 3 /h P Production de gaz / m 3 de décharge, en m 3 /h R L A S Rayon d action en m Profondeur du puits de gaz, en m Epaisseur de la couverture de surface Coefficient de sécurité E erf taux de captage en % La pratique a montré que ce mode de dimensionnement n est pas pertinent car le corps des décharges n est pas homogène. Page 22

12 Puits de gaz verticaux Air Les puits de gaz ne doivent pas être installés en bord de décharge car cela augmente le risque d aspirer de l oxygène. Pour cette raison, les puits doivent également être bien étanches en surface! Puits de gaz Page 23 Puits de gaz verticaux Niveau déchets / couverture Tassement du corps de décharge En raison de la perte de masse par formation de gaz, des tassements importants se produisent dans le corps des décharges. Puits de gaz Comme les puits de gaz (en graviers + tubes) ne suivent pas complètement les tassements, ils donnent parfois l impression d avoir poussé là et dépassent de la décharge. Les conduites de collecte des gaz doivent donc impérativement être raccordées aux puits par une conduite flexible. Déchets Fond de la décharge Page 24

13 Puits de gaz verticaux Tassement du corps de décharge Tassements Rupture de la conduite de raccordement En raison de la perte de masse par formation de gaz, des tassements importants se produisent dans le corps des décharges. Puits de gaz Comme les puits de gaz (en graviers + tubes) ne suivent pas complètement les tassements, ils donnent parfois l impression d avoir poussé là et dépassent de la décharge. Les conduites de collecte des gaz doivent donc impérativement être raccordées aux puits par une conduite flexible. Déchets Fond de la décharge Page 25 Les raccords flexibles mais solides assurent que les tassements différentiels des puits et du corps de la décharge soient absorbés sans dégâts. Les tassements doivent être estimés auparavant pour estimer la longueur des tuyaux flexibles nécessaires. Raccords flexibles des conduites de gaz Dans l exemple présent (photo) les tuyaux sont renforcés avec de l acier tressé. L intérieur du tuyau flexible doit cependant être résistant aux milieux agressifs (e.g. Tuyau en PEHD) Page 26

14 Puits de gaz verticaux Avantage : Les puits de gaz ont un très bon taux de captage par rapport aux collecteurs horizontaux. Inconvénient : Les puits verticaux qui sont mis en place pendant l exploitation (élévation au fur et à mesure en fonction du niveau de déchets), perturbent l exploitation de la décharge car les conduites de collecte raccordées aux puits doivent montées/ajustées avec l élévation du puits et donc les camions risquent de rouler sur ces dernières. Page Calcul de la quantité de gaz de décharge 1.2 Puits de gaz (verticaux) 1.3 Collecteurs horizontaux 1.4 Séparateurs de condensat Page 28

15 Positionnement des collecteurs horizontaux dans la décharge Afin d optimiser le captage des gaz, les collecteurs horizontaux doivent être décalés d une couche à l autre: Env. tous les 5 à 10 mètres de hauteur (par couche) Espacement d env. 20 à max. 40 m (voir exemple) Page 29 Positionnement des collecteurs horizontaux dans la décharge Source: ICP 2009, Décharge de Kabouti, Tunisie Page 30

16 Positionnement des collecteurs horizontaux dans la décharge Source: ICP 22, Décharge d Erroumani, Tunisie En bordure de décharge, les collecteurs doivent être mis en place avec une pente vers l intérieur de la décharge (min. 10 %), afin d évacuer le lixiviat et le condensat vers l intérieur de la décharge, et ainsi pouvoir continuer à aspirer le gaz produit. Page 31 Collecteurs horizontaux Avantage : Possibilité de mise en place pendant l exploitation sans aucun problème. Contrairement aux puits verticaux qui sont construits pendant l exploitation (élévation au fur et à mesure en fonction du niveau de déchets) et qui permettent d aspirer les gaz par le haut, les conduites raccordées aux collecteurs horizontaux ne perturbent pas l exploitation car elles sortent de la décharge au niveau des flancs. Inconvénient : Inondation des conduites relativement rapide par le condensat du gaz et/ou les lixiviats et, dès ce moment, impossibilité d aspirer les gaz. Page 32

17 En résumé : Comparaison du taux de captage entre collecteurs verticaux (puits) et horizontaux Les puits de gaz ont un taux de captage plus élevé que les collecteurs horizon taux, car le corps des déchets est en général plus perméable dans le sens horizontal que dans le sens vertical. Cela est dû à l enfouissement en couche des déchets, qui s orientent principalement dans le sens horizontal (sacs plastiques, etc.). En Europe, des quantités spécifiques de gaz jusqu à 10 m³/m de puits de gaz (tuyau perforé de collecte) par heure ont pu être atteintes. En temps normal, la quantité spécifique est cependant bien plus faible. Les collecteurs horizontaux permettent de collecter seulement env. 10% de la quantité totale de gaz captée (jusqu à env. 1 m 3 /m de tuyau perforé par heure) Page Calcul de la quantité de gaz de décharge 1.2 Puits de gaz (verticaux) 1.3 Collecteurs horizontaux 1.4 Séparateurs de condensat Page 34

18 Dimensionnement des séparateurs de condensat Le gaz de décharge sortant du corps de la décharge est très chaud (jusqu à > 50 C) et est saturé en eau. Ainsi, lors du refroidissement du gaz, une grande quantité de condensat se forme. Les séparateurs (et collecteurs) de condensat sont à dimensionner en fonction de la quantité de condensat attendue. En général, le condensat est très chargé et doit être traité avec les lixiviats. Au niveau des séparateurs de condensat, il est également important de veiller à garder une dépression pour éviter l aspiration d air dans les conduites. Page 35 Séparateurs de condensat Gaz Page 36

19 Séparateurs de condensat vue de des ssus Page 37 Séparateurs de condensat Densité Env. 28 g/m 3 Condensation Exemple: Refroidissement de 40 à 30 C de 50 m 3 /h de gaz Production d env. 1,4 kg d eau en une heure dans une conduite de collecte (plus de 33 litres en une journée)! La température du gaz de décharge issu des décharges d Afrique du Nord pourrait être encore plus élevée. Température Page 38

20 Obstruction des conduites de collecte par le condensat Les conduites de collecte doivent être mises en place de façon à éviter les points bas, qui pourraient être obstrués par le condensat. Pour cela, les conduites doivent donc être installées avec une pente vers le collecteur de condensat. Les conduites de collecte se situant à l extérieur de la décharge doivent avoir une pente minimum de 2% vers la station de collecte intermédiaire. Page 39 Obstruction des conduites de collecte par le condensat L eau s écoule vers les points bas des conduites de gaz et forme des bouchons qui entravent le dégazage. Page 40

21 Pertes de charge dans les conduites L aspiration produite par le compresseur pour aspirer le gaz diminue dans les conduites. Exemple: Si le compresseur provoque une dépression de 100 mbar pour aspirer le gaz Cette dépression diminue dans les conduites par pertes de charge et baisse par ex. jusqu à 20 mbar au niveau des puits de gaz. Page 41 : Dimensionnement d un système de dégazage (CBP 2.7) Page 42

22 2.1 Nécessité de l essai de captage de gaz insitu 2.2 Essai de captage sur un puits unique : Tier 3 test 2.3 Essai de captage sur plusieurs puits Page 43 Nécessité des essais de captage de gaz In Situ Dans la plupart des cas, il est difficile d estimer (ou de calculer) la production de gaz pour les décharges existantes à cause du manque d information sur : la quantité de déchets enfouis la quantité de déchets spécifique par an Le type de déchets entreposés L épaisseur des couvertures journalières (terre) etc. Il est donc pertinent de réaliser des tests de captage de gaz ou au moins des mesures insitu avant la conception du système de captage des gaz. Page 44

23 Mesure d émissions de gaz In Situ Page 45 Nécessité des essais de captage de gaz In Situ Mesure d émissions InSitu : La mesure des concentrations et quantités de gaz en des points isolés d une décharge donne rarement des résultats pertinents. Ainsi, pour dimensionner le système de captage des gaz d une décharge dont l histoire est peu connue, il est conseillé de réaliser des essais de captage de gaz insitu. Ces essais peuvent être réalisés: soit en un seul puits (Tier3test) soit en plusieurs puits Pendant l essai, les quantités de gaz captables et la composition des gaz doivent être mesurées précisément, puis analysées ensuite. Page 46

24 2.1 Nécessité de l essai de captage de gaz insitu 2.2 Essai de captage sur un puits unique : Tier 3 test 2.3 Essai de captage sur plusieurs puits Page 47 Essai de captage sur un puits unique : Tier 3 test Concept schématique du Tier3 Test Essai de captage sur un puits unique Page 48

25 Essai de captage sur un puits unique : Tier 3 test Résultat du Tier3 Test Quantité et pression du gaz aspiré sous différents rayons d action, et influence de la perméabilité de la couverture de surface. Source: Walter 2000 Page Nécessité de l essai de captage de gaz insitu 2.2 Essai de captage sur un puits unique : Tier 3 test 2.3 Essai de captage sur plusieurs puits Page 50

26 Exemple d essai de captage sur plusieurs puits : Décharge Feilheck, Heidelberg, Allemagne Source: Carte topographique du Bade Wurtemberg 1 : Page 51 Exemple d essai de captage sur plusieurs puits : Décharge Feilheck, Heidelberg, Allemagne Poste transformateur Décharge dans son état initial 1990 Aire pour autoécoles Usine d asphalte Décharge Source: Google Earth 1990 Page 52

27 Exemple d essai de captage sur plusieurs puits : Décharge Feilheck, Heidelberg, Allemagne 7 Puits de gaz forés pour l essai de captage Source: ICP, 2009 Page 53 Puits de gaz type Raccord pour prise d échantillons Tête de puits Vanne d arrêt Tuyau en acier flexible Surface de la décharge Isolation argileuse autour de la tête de puit 2 x 25 cm, k 5 x m/s Tuyau en PEHDel 280 mm x 15,9 mm Ecarteurs Etanchéité en bentonite Diamètre de forage 800 mm Source: ICP, 2009 Filtre en graviers, teneur en carbonates < 10 % Tuyau de drainage des gaz perforé en PEHD 225 mm x 20.5 mm Graviers 16/32 mm, teneur en carbonates < 10% Page 54

28 Schéma fonctionnel d un essai de captage de gaz sur plusieurs puits GB = Puits de gaz (n o ) 1) Vanne à boule (pour débitmètre à turbine) 2) Raccord pour prise d échantillons 3) Tuyau de collecte des gaz avec vanne anticondensation 4) Conduite de collecte 5) Vanne d arrêt 6) Jauge de pression 7) Pipe de compensation 8) Coupe flamme 9) Compresseur 10) Vanne d arrêt 11) Coupe flamme 12) Torchère Page 55 Résultat d un essai de captage sur plusieurs puits Quantité / Concentration totales de gaz de décharge Source: ICP, 2009 Durée de l essai : 2 mois Page 56

29 Système de captage des gaz Décharge de Feilheck, Heidelberg/Allemagne Rayon d action estimé des puits de dégazage ~ 25 m Source: ICP, 2009 Page 57 Décharge de Feilheck après réhabilitation et fermeture 2009 Source: Google Earth 2009 Page 58

30 Conclusion Les essais de captage de gaz insitu sur les décharges à équiper d un système de captage des gaz doivent être réalisés au préalable pour assurer le bon dimensionnement et la conception adéquate du système pour chaque décharge. Essai de captage sur plusieurs puits est préférable! Page 59 Merci pour votre attention Gerd BURKHARDT Directeur général burkhardt@icping.de Pélagie BALL Gestion de projets ball@icping.de Auf der Breit Karlsruhe Allemagne Page 60