Un site expérimental pour optimiser la biodégradation de nos montagnes de déchets, l’ISDUND de Cuves (50)
Alors que s’est déroulée une visite de l’ISDUND (Installations de Stockage de Déchets Ultimes Non Dangereux) de Cuves, dans La Manche (50), exploitée en mode bioréacteur, lieu d’expérimentation de cette technique d’optimisation de la biodégradation, organisée par l’Irstea et l’industriel Les Champs Jouault, le vendredi 20 juin dernier, à l’occosion d’une journée scientifique et technique, en France, chaque habitant produit chaque jour plus d’1kg de déchets. 40 % de ces déchets, ajoutés à ceux issus des industries, sont mis en décharge au sein de centres de traitement de déchets, autrement appelés Installations de Stockage de Déchets Ultimes Non Dangereux (ISDUND), soit 23 millions de tonnes de déchets ultimes à stocker qui mettront de longues années à se dégrader. La recherche travaille à accélérer ce processus de dégradation afin notamment de limiter les impacts environnementaux et sanitaires de ces amas.
Irstea y a mis en œuvre in situ ses travaux de recherche sur les outils d’évaluation de la performance des réseaux de recirculation du « lixiviat », liquide filtrant par percolation à travers les déchets. La bonne circulation de ce liquide est essentielle pour maintenir un taux d’humidité optimale dans le massif des déchets; humidité indispensable pour accélérer la biodégradation, et en cela favoriser la production de biogaz. Plusieurs stratégies expérimentales ont été conduites sur le terrain, couplées à des études menées en laboratoires ; le couplage innovant des méthodes de mesures pour évaluer et comprendre l’évolution de la température et de la teneur en eau (via des câbles de fibres optiques, lignes d’électrodes géophysiques et capteurs implantés à l’intérieur de deux massifs de déchets de 12m de haut) permet aujourd’hui de disposer de données indispensables pour optimiser une ISDUND exploitée en mode bioréacteur.
L’industriel Les Champs Jouault, qui gère une ISDUND en mode bioréacteur dans la Manche (50), a en effet fait appel à Irstea - Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture, afin d’optimiser l’efficacité de son installation réglementée, pouvant accueillir chaque année jusqu’à 75 000 tonnes de déchets par an, provenant des collectivités et des industries voisines. Fort de son expertise en technologies et procédés sur l’eau et les déchets, Irstea a ainsi pu tester pendant deux ans et demi l’ensemble des dispositifs de mesures développés sur un site en taille réelle, dans le cadre d’un projet de recherche2 conclu fin 2011 aux côtés de l’Université Basse Normandie et d’un fabricant de fibres optiques, ACOME, et soutenu financièrement par la région Basse Normandie. Le démarrage d’une thèse CIFRE entre Irstea et Champs Jouault - Conventions Industrielles de Formation par la Recherche – permettra de poursuivre l’expérimentation sur le site et de suivre la pertinence des outils d’évaluation de la biodégradation des massifs de déchets sur le long terme.
Chaque jour, un habitant produit en moyenne 1kg de déchets ménagers. Sur ces tonnes de déchets, certains peuvent être valorisés ou recyclés, mais il en reste 40 %, ajoutés à ceux issus des industries, qui sont mis en décharge au sein de centres de traitement de déchets. Au total, plus de 44 % de ce que l’on nomme des déchets non dangereux (ordures ménagères, encombrants ou encore déchets industriels banals) sont stockés chaque année au sein d’Installations de Stockage de Déchets Ultimes Non Dangereux (ISDUND). Ces déchets biodégradables pourront mettre de très longues années voire plus d’un siècle à disparaître. Or, plus les délais de biodégradation sont raccourcis, plus l’impact environnemental et sanitaire sera maîtrisé.
On compte aujourd’hui en France près de 300 centres de traitement de déchets biodégradables qui récupèrent auprès des collectivités et des industries avoisinantes les reliquats d’ordures ménagères non recyclables (contenants, couches jetables par exemple) provenant des foyers et issus des déchèteries (encombrants comme matelas) tout comme des résidus industriels banals. À l’heure actuelle des connaissances, ces types de déchets ne sont pas recyclables ou valorisables directement, mais peuvent, selon leurs conditions de stockage en décharge, être biodégradés plus ou moins vite.
À l’heure actuelle, les installations de stockage sont les contributeurs majeurs à la production de biogaz en France : 71 % de l’énergie primaire produite en France à partir de biogaz est issu des 68 centres de traitement de déchets qui le valorisent (Ademe 2011) sur près de 300 installations réparties sur le territoire. Malgré un contenu des matières entrantes qui s’appauvrit progressivement en matières organiques (Directive Décharge, 1999 et Directive Déchet 2008, Loi Grenelle I et II), les installations actuelles contiennent encore beaucoup de matière organique, ce qui justifie l’intérêt qui leur est porté pour maximiser et valoriser au mieux la production de biogaz au cours des premières années de stockage.
L’optimisation des conditions propices à la biodégradation des déchets est au cœur d’une partie des travaux de recherche de l’Unité Hydrosystèmes et Bioprocédés d’Irstea, sur le site d’Antony (92), spécialisée sur les technologies et procédés pour l’eau et les déchets.
Présentation du site expérimental : le fonctionnement d’une installation de stockage de déchets ultimes non dangereux (IsDUnD) en mode bioréacteur.
Les installations de stockage de Déchets Ultimes Non Dangereux sont désormais de véritables sites industriels soumis à une réglementation stricte. De ce fait, elles font l’objet de règles rigoureuses de conception, d’exploitation et de surveillance. Selon les autorisations délivrées, les exploitants peuvent collecter et stocker plusieurs milliers de tonnes de déchets sur plusieurs années. Il existe deux types d’ISDUND :
- 1/ Les ISDUND classiques, par leur système d’étanchéité complète (couverture, fond et flancs) vont limiter l’infiltration d’eau dans le massif de déchets. Cet assèchement rapide de la matière organique peut alors avoir pour conséquence une augmentation conséquente de temps de stabilisation des déchets, pouvant aller jusqu’à plusieurs siècles. On sait en effet qu’une humidité comprise entre 40 et 70% de saturation est considérée comme optimale pour assurer une bonne biodégradation des déchets.
- 2/ Les ISDUND bioactives, dont fait partie la SAS Champs Jouault basée à Cuves, dans la Manche, utilisent au contraire un système de recirculation du « lixiviat ». Les lixiviats sont l’ensemble des liquides filtrant naturellement par percolation à travers les déchets mis en décharge. L’augmentation de l’humidité des déchets et la stabilisation homogène du massif de déchets a pour objectif d’accélérer la dégradation de ces derniers : l’effet recherché par l’exploitant de la décharge est à la fois d’augmenter la quantité de biogaz produite, issue de la fermentation des déchets, et de concentrer sa production sur une période plus courte afin de mieux le valoriser. Cette technique, apparue aux Etats-Unis dans les années 1970, est encore assez peu répandue en France.
L’ISDUND Les Champs Jouault, ouvert en 2009, a été autorisée par la Préfecture à traiter jusqu’à 75 000 tonnes de déchets par an pendant 20 ans. Pour traiter un tel volume, l’optimisation de l’espace est de mise. Le stockage des déchets s’effectue ainsi au sein d’alvéoles que l’on crée puis referme au rythme d’une fois par an, confiné par des dispositifs d’étanchéité par géosynthétiques pour la protection de l’environnement.
Dans le cadre du fonctionnement d’une installation de stockage en mode bioréacteur, il est essentiel que l’ensemble du massif de déchets soit sollicité pour éviter des dysfonctionnements et donc des hétérogénéités de l’état de biodégradation du milieu. Ce critère d’homogénéité revêt une importance particulière pour prévenir la formation de zones contenant des déchets moins dégradés qui pourraient aussi poser problème pour la période de fin de suivi post exploitation (30 ans après la mise en décharge des déchets).
Pour évaluer la performance des réseaux de recirculation de lixiviat, Irstea a mis en œuvre in situ l’ensemble des techniques de mesure étudiées et cela pour la première fois en France dans ce domaine.
Du laboratoire à l’instrumentation d’un site industriel : mise en œuvre d’un dispositif de mesures grandeur nature.
L’unité de recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés d’Irstea d’Antony (92), spécialisée sur les technologies et procédés pour l’eau et les déchets, a mis en place un dispositif de mesures testé dans les laboratoires de l’équipe « Mesures physiques pour les milieux poreux » dirigée par Sylvain Moreau, mais jamais encore expérimenté dans sa globalité directement sur un centre de stockage.
Ainsi, au sein de deux alvéoles, les chercheurs d’Irstea ont installé des capteurs pour suivre les variations de la teneur en eau des déchets, des dispositifs géophysiques permettant d’identifier les zones de circulation du lixiviat et plus de 1000 mètres de fibre optique pour mesurer la température des déchets, en s’associant à une société de fibre optique de la région, la société Acome et étant accompagnés par l’université de Caen Basse Normandie sur le projet.
- Enjeu : évaluer les performances des dispositifs de réinjection.
- Objectif : vérifier in situ le dimensionnement du réseau de réinjection du lixiviat (couplé à des essais de cinétique de réinjection du liquide dans les laboratoires d’Antony).
- Moyens : coupler des méthodes de mesure pour représenter et comprendre l’évolution de la température et de la teneur en eau, au cœur d’une biodégradation efficace des déchets.
Une installation grandeur nature
Les déchets sont tous stockés au sein de casiers étanches d’environ 50 mètres de large et 100 mètres de long, et pouvant atteindre jusqu’à 15 mètres de hauteur. Irstea a ainsi choisi d’instrumenter deux casiers pour son expérimentation in situ, le n°3 et 4, en les équipant de différents capteurs, sondes et appareils de mesures.
Ce dispositif a permis de recueillir en deux ans et demi un certain nombre de données pour comprendre le fonctionnement du casier de déchets à long terme et après chaque réinjection de lixiviats.
Un dispositif innovant
Aucune étude de Recherche & Développement n’avait couplé l’utilisation de plusieurs méthodes à l’échelle du casier de déchets afin d’en maximiser les enseignements.
- Pour évaluer l’intensité des processus de biodégradation et leur évolution au cours du temps : la mesure de température des déchets - par fibre optique et capteurs, à différents niveaux du casier de déchets.
- Pour suivre la propagation des lixiviats dans le massif de déchets au cours d’épisodes de réinjection de lixiviat : la mesure de tomographie de résistivité électrique 3D - par un réseau de lignes d’électrode en surface du casier.
- Pour piloter à distance les séquences de recirculation du lixiviat et évaluer la teneur en eau au sein du massif de déchets : la mesure de permittivité diélectrique - par des sondes de mesure TDT (Time Domain Transmission).
Concrètement Cela s’est traduit dans le Casier le plus instrumenté par :
Au 1er niveau, à 4 mètres de déchets stockés : 4 lignes de câble de fibre optique, 1 ligne de 24 électrodes ;
Au 2ème niveau, à 9 mètres de déchets stockés : capteurs de température, 4 lignes de câble de fibre optique et capteurs TDT ;
Au 3ème niveau, au sommet des déchets stockés et au-dessus des tranchées de réinjection mais sous la géomembrane de couverture : 3 lignes de 24 électrodes localisées dans la couche de couverture.
Cette instrumentation a permis de recueillir en deux ans et demi un certain nombre de données pour comprendre le fonctionnement du casier de déchets à long terme et après chaque réinjection de lixiviats.
Un des objectifs de cette étude est de proposer à l’exploitant des méthodes de gestion de son installation de stockage de déchets ultimes non dangereux gérée en mode bioréacteur.
Des mesures pour modéliser le cycle de vie des déchets stockés : résultats et perspectives
Pour observer les zones impactées par la recirculation de lixiviat, la mesure par tomographie de résistivité électrique est déployée. Les mesures enregistrées avant, pendant et après l’injection de lixiviat permettent de mettre en évidence les zones de variations de la résistivité électrique associées aux zones d’écoulement du liquide. La prise en compte de la géométrie complète du casier de déchet ainsi que l’optimisation des outils numériques apporte une robustesse nouvelle à l’interprétation des données. L’étendue des zones d’infiltration permet ainsi d’optimiser la localisation et le dimensionnement du réseau de réinjection de lixiviat pour atteindre de meilleures performances de production de biogaz et de biodégradation des déchets.
Grâce à l’implantation de câbles de fibre optique de la société ACOME (France) dans le massif de déchets, il est possible d’obtenir un très grand nombre de mesures de température à 4 et 9 -10 mètres de hauteurs de déchets environ par rapport au fond du casier. La figure suivante, enregistrée en décembre 2012, représente ainsi une spatialisation de la température à partir de l’ensemble des points de mesure disponibles. L’implantation de 1400 mètres de fibres optiques au cœur d’un casier de stockage de déchets permet de suivre l’évolution mensuelle de la température qui est un paramètre majeur pour la compréhension des différentes phases de biodégradation des déchets.
Un des objectifs de cette étude est de proposer à l’exploitant des méthodes de gestion de son installation de stockage de déchets ultimes non dangereux gérée en mode bioréacteur. Pour cela, l’instrumentation installée sur le site industriel de la SAS Les Champs Jouault offre une quantité importante de données pour étudier les outils d’évaluation de la biodégradation des massifs de déchets sur le long terme ainsi que les performances des réseaux de réinjection de lixiviat. Le démarrage d’une thèse CIFRE entre Irstea et Champs Jouault - Conventions Industrielles de Formation par la Recherche est en cours de rédaction pour poursuivre ce travail de recherche.
