Çevresel tesislerden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının hesaplanması
Greenhouse gases calculations from enviromental facilities
Yazar: MEHMET ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SAİT YAZĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Artan nüfus, kentleşme ve sanayileşmeye paralel olarak oluşan atık miktarı da aynı oranda artmaktadır. Oluşan atıkların bertarafı için biyolojik, kimyasal yada ileri arıtım yöntemler seçilmektedir. Yöntem seçiminde atık bertaraf yönteminin maliyeti ve verimliliği kadar kullanılan yöntemin karbon ayak izi miktarı da son yıllarda önemli hale gelmektedir. 
Endüstriyelleşme etkisi ve hızla artan insan populasyonunun da etkisiyle sera gazı olarak adlandırılan gazların miktarı son yıllarda hızlı bir artış göstermiştir. Buna bağlı olarak Dünya üzerindeki hava sıcaklığı her geçen gün biraz daha artmaktadır. Peterson (2007) 1860-1900 yılları arasında, denizde ve karadaki küresel sıcaklığın ortalama 0,75 oC yükseldiğini belirtmiştir (Vikipedia, 2014'de atıfta bulunulduğu gibi). Oluşan sera gazlarının miktarı azaltılmazsa, artışın daha da hızlanarak devam edeceği tahmin edilmektedir. Sera gazı olarak tanımlanan gazlar IPCC (2006)'ya göre ikiye ayrılırlar. Doğrudan sera gazları, karbondioksit (CO2), metan (CH4), nitröz oksit (N2O), hidroflorokarbon (HFC), kükürthekzaflorit (SF6) ve perflorokarbon (PFC), dolaylı sera gazları ise azotoksitler (NOx), karbonmonoksit (CO), metan dışı uçucu organik bileşikler (NMVOC) ve kükürtdioksit (SO2)'dir.
Son 200 yılda önemli sera gazlarından CO2, CH4 ve N2O'nin atmosferdeki konsantrasyonları önemli ölçüde artmıştır. El Fadel ve Massould (2001) sera gazlarındaki artışın fosil yakıtların üretim ve kullanımından, tarımsal aktivitelerden ve endüstriyel aktivitelerden kaynaklandığını ifade etmişlerdir. (Çakır ve Stensrtom, 2005'de atıfta bulunulduğu gibi). TÜİK tarafından hazırlanan sera gazı envanteri incelendiğinde atıksu bertarafından ve katı atık bertarafından kaynaklı sera gazı emisyonları oluşan toplam sera gazı emisyonu içinde önemli bir orana sahip olduğu görülmektedir. Sera gazlarının küresel ısınma etkilerini karşılaştırmak için küresel ısınma potansiyelleri (KIP) karbondioksit eşdeğeri olarak tanımlanmaktadır. Yüz yıllık periyot için CO2, CH4 ve N2O gazlarının küresel ısınma potansiyel değerleri Intergovermental Panel on Climate Change (2007)'ye göre sırasıyla 1, 21 ve 310 karbondioksit eşdeğeridir.
Atık bertarafından kaynaklı sera gazlarını incelendiğinde CH4 and N2O gibi gazlar atık bertarafından önemli miktarlarda oluşan ve yüksek küresel ısınma potansiyelleri sebebiyle küresel ısınmaya önemli ölçüde katkıda bulunan gazlar olarak önem kazanmaktadır. TÜİK tarafından 2012 yılında hazırlanan Ulusal Sera Gazı Emisyon Envanteri incelendiğinde atık bertarafında ve atıksu arıtımından kaynaklanan metan ve N2O gazlarının oransal olarak sera gazı envanterinde önemli bir yer tuttuğu tespit edilmiştir. TÜİK tarafından 2012 yılnda hazırlanmış Ulusal Sera Gazı Emisyon Envanterine göre metan emisyonlarının %53,20'si katı atık bertarafından, %2,50'si atıksu bertarafından, %2,52'si ise gübre yönetiminden kaynaklanmaktadır. Yine aynı envanter çalışmasına göre oluşan N2O gazının %19,37'si gübre yönetiminden, %12,77'si ise atıksu arıtımından kaynaklanmaktadır. 
Bu çalışma kapsamında katı atık bertaraf senaryoları ve atıksu arıtım senaryoları sera gazı emisyonları açısından incelenmiştir. Yapılan çalışmada atık depolama tesisi (ADT), kompostlaştırma tesisi, biyometanizasyon tesisi, anaerobik stabilizasyon havuzu (ASH), biyolojik atıksu arıtma tesisi (aktif çamur prosesi) ve ileri atıksu arıtma tesislerinden kaynaklanan CH4 ve N2O gibi sera gazı emisyonları hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamında atık bertarafı ve atıksu arıtım senaryoları irdelenmiştir. Katı atık senaryolarından kaynaklanan sera gazları hesapları karbondioksitin emisyonlara dahil edildiği ve edilmediği durum için ayrı ayrı hesap edilmiştir. IPCC Ulusal Sera Gazı Envanteri Klavuzuna göre emisyon hesaplamalarında karbondioksit emisyonları hesaba katılmamaktadır. Ancak katı atık senaryolarında karbondioksit emisyonları da hesaba katılarak reel durumun analizi yapılmıştır. Yapılan incelemelere göre atık bertarafında atık depolama tesislerinden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının en yüksek miktarlarda oluştuğu görülmektedir. Atık bertaraf yöntemlerinden kompostlaştırma ve biyometanizasyon tesisleri karşılaştırıldığında karbondioksit emisyonunun hesaplamalara dahil edildiği durumda biyometanizasyon kaynaklı sera gazı miktarlarının kompostlaştırmaya göre daha yüksek miktarda oluştuğu görülmüştür, karbondioksit emisyonlarının hesaba katılmadığı durumda ise kompostlaştırmadan kaynaklanan emisyonların biyometanizasyondan kaynaklanan emisyonlardan fazla olduğu görülmektedir. Atıksu arıtım senaryolarında ise anaerobik proseslere dayanan anaerobik stabilizasyon havuzunda arıtımın sera gazı emisyonlarının diğer senaryolardan daha yüksek oranda küresel ısınma potansiyelinin olduğu görülmektedir. Atıksu arıtım senaryoları içinde en az sera gazı emisyonunun oluştuğu durum ise ileri atıksu arıtımıdır. Biyolojik atıksu arıtma tesislerinden kaynaklanan sera gazı emisyonları olarak ise metan gazının iyi işletilemeyen yada aşırı yüklemenin olduğu tesislerde önemli miktarlarda oluştuğu görülmektedir.

Abstract:
In parallel to the development of population, urbanization and industrialization, the generated waste amount increases with the same ratio. Waste types can be classified as solid, liquid and gas. These wastes can be treated by chemical, biological and advanced treatment technologies. As global warning effect have been a problem for our world in the last centuries not only the cost and treatment efficiency but also global warning potential (GWP) becoming more important for waste and wastewater treatment.
In the last century because of population growth and ındustrial development worlds' atmosphere have been warning with increasing accelaration. According to Peterson (2007) between years 1860-1900 sea and earth temperature increase averagely 0.75 oC (as given in Vikipedia, 2014). Some experts evaluate that if not taking precautions, temperature increase will be continued. According to IPCC (2006) greenhouse gases can be classfied as direct and indirect. Direct greenhouse gases are: carbondioxide (CO2), methane (CH4), nitrious oxide (N2O), hydrofluorocarbon (HFC), kükürthekzaflorit (SF6) ve perfluorocarbon(PFC). Indirect greenhouse gases are; nitrousoxide(NOx), carbonmonoxide (CO), volatile organic compounds except methane (NMVOC) and sulphurdioxide (SO2).
El Fadel and Massoud (2001) evaluate that during the last 200 years atmospheric concentrations of greenhouse gases, CO2, CH4 and N2O have increased due to anthropogenic activities such as production and use of fossil fuels and other agricultural and industrial activities (as given in Çakır ve Stensrtom, 2005). To compare the effect between different gases, global warning potentials are estimated and referenced to CO2. 
For a 100 year horizon, CO2, CH4 and N2O have GWPs of 1, 21 and 310 respectively (IPCC, 2007). Solid waste disposal and wastewater treatment contribute to greenhouse gases through production of CO2, CH4 and N2O. According to National Greenhouse Gases Inventory that is prepeared by TÜİK (2012) greenhouse gas production from solid waste treatment and wastewaster treatment provide significant amount of greenhouse gases. National Greenhouse Gases Inventory that is prepeared by TÜİK (2012) evaluates that 53.20% of total methane generation supplied from solid waste disposal, 2.50% of total methane generation supplied from wastewater treatment and 2.52% of total methane generation supplied from manure management. 
According to National Greenhouse Gases Inventory 12.77% of total N2O generation in year 2012 supplied from wastewater treatment and 19.37% from manure management. 
 
The objective of this research is estimation of greenhouse gases production from wastewater treatment and solid waste disposal facilities and also investigation of the differences between aerobic and anaerobic methods for waste water treatment and waste disposal methods. 
In anaerobic treatment complex wastes are stabilized in three basic steps: hydrolysis, acid fermentation and methanogenesis. Anaerobic treatment processes can release CH4 which has a greater global warning potential than CO2. Aerobic treatment involves the conversion of organic waste to biomass and CO2 by an aerobic bacterial culture, and generally does not produce CH4 but aerobic treatment of waste waster and solid waste processes can release N2O which has a greater GWP than CO2 and methane. 
To obtain more reliable results an application area that is selected from solid waste master Plan (1C Religion) with a population of 1,000,000 person for the year 2010 is chosen.
For application area population, unit waste production and waste production projections are done in terms of Solid Waste Master Plan (2006). According to population and waste projections; a solid waste management project is determined by using European Union Directives like biological waste and packaging waste recyling targets. According to calculations total biodegradable waste, packaging waste and other waste streams are determined. Biodegradable wastes are mostly sent to composting facility and biomethanization to obtain regulations. Biodegradable wastes and packaging wastes that is not recovered will be sent to sanitary landfill with other waste streams. 
In waste waster treatment scenarios waste water amaount is determined by statistics from TÜİK and water polution parameters are taken from Metcalf and Eddy (1991). With these statistic total domestic waste water amount and pollution parameters are calculated for application area.
In the content of this research different scenarios for wastewater treatment and solid waste disposal are evaluated. For solid waste disposal sanitary landfill, composting and biomethanization methods are selected and their global warning potentials are compaired within and without carbon emissions. For waste water treatment three different scenarios are selected. These three scenarios are anaerobic waste stabilization pond, biological waste water treatment plant (activated sludge) and advanced waste water treatment plant. For these facilities global warning potentials are calculatated and compaired. 
Sanitary landfills are the most common treatment method to treat the biodegradable wastes, mixed wastes, packaging wastes, household wastes and waste water treatment sludges. After biodegridation of organic wastes in sanitary landfills, landfill gases like CH4 and CO2 are produced. According to Taskan (2001) landfill gas contains averagely 60-40% CH4 and %40 – 60% CO2 and also other gases in very low degrees. 
To reduce the volume of municipal solid waste to be disposed at sanitary landfill, composting and biomethanizaiton offer viable methods for municipal solid wastes, through biological conversion of the biodegradable fraction of the waste to compost and energy. 
Composting can be describe as a manure management process. The most common large-scale and commercially available technologies for composting of biodegradable municipal solid wastes are naturally aerated windrow composting, mechanically aerated windrow composting (also called static pile) and in-vessel composting. 
Biomethanization offers viable methods for municipal solid wastes, sewage sludges or animal manure through biological conversion of the biodegradable fraction of the waste to biogas while producing electricity and heat energy. Biogas typically refers to a gas produced by the breakdown of organic matter in the absence of oxygen. It is a renewable energy source. Furthermore, biogas can be produced from regionally available raw materials such as recycled waste and is environmentally friendly. Biogas is produced by anaerobic digestion with anaerobic bacteria or fermentation of biodegradable materials such as, sewage sludge, municipal waste and green wastes. Biogas comprises primarily of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) and small amounts of hydrogen sulphide (H2S), moisture and siloxanes. The biomethanization of organic wastes is accomplished by a series of biochemical transformations. These reactions can be occur in one–stage systems or two stage systems. 
To treat waste water many methods can be used. These methods can be listed as aerobic methos, anaerobic methods and advanced treatment methods. 
Anaerobic treatment systems are used all over the world on treatment of medium and high strength industrial and domestic wastewaters. But anaerobic treatment process contributes high rate of greenhouse gases like methane. To examine the greenhouse effect of anaerobic treatment, an anaerobic stabilization pond is chosen. Anaerobic stabilization ponds have been used successfully to treat municipal and industrial wastewater. Stabilization is brought about by a combination of precipitation and the anaerobic conversion of organic wastes to CO2 and CH4. 
Municipal wastewater treatment plants emit greehouse gases like methane and N2O. In terms of literature research methane emissions from municipal wastewaster treatment plant mainly occurs from primary setting tanks, secondry setting tanks, anaerobic sludge disgesters and flares. According to IPCC (2006) methane emission from wastewater treatment plants are not expected but overloading or not well management occur methane emmisions. Other important greenhouse gas is N2O for waste waster treatment and ıts global warning potential is higher than methane. N2O is emitted both nitrification and denitrification so N2O emissions occur both aerobic and anaerobic reactions.
For a 100 year horizon, N2O have global warning potential of 310 (IPCC, 2007). In this study, N2O and methane emissions from municipal wastewater treatment are evaluated. 
For sanitary landfill calculations are made for the years 2010-2050 for all other scenarios calculations are made for years 2010–2030. To calculate the greenhouse gas potentials for alternative scenarios IPCC methadologies or emision factors are used. If IPCC methodologies are not clear or not sufficient other alternative methodologies are preferred. 
According to IPCC National Greenhouse Gas Inventories Guidelines carbon dioxide is biogenic source and is not regarded in calculation of waste emissions so solid waste management scenarios is done with and without carbon dioxide emissions to see the reel conditions. According to calculations greenhouse gas emissions from sanitary landfill for years 2010–2050 is with carbon dioxide emissions is ~3,321,000 tCO2e and without carbon dioxide emissions ~2,630,000 tCO2e. Greenhouse Gas emissions from composting and biomethanization for years 2010–2030 with carbon dioxide emissions are ~1,498,000 and ~2,167,000 tCO2e respectivelly. If not regarding carbon dioxide emissions greenhouse gas emissions from composting and biomethanization for years 2010-2030 are ~534,000 tCO2e and ~63,000 tCO2e respectivelly.
According to calculations greenhouse gas emissions for years 2010–2030 for anaerobic stabilization pond, biological wastewaste water treatment plant and advanced biological water treatment plant are respectivelly ~2,072,000 tCO2e, ~1.323.000 tCO2e and ~424.000 tCO2.
According to the results given above most important greenhouse gas are sourced by sanitary landfill for solid waste disposal and anaerobic stabilization pond for waste water treatment. In compate with biomethanization and composting; composting process contribute more GHG. So according to the study it can be said aerobic treatment for solid waste disposal and anaerobic treatment methods for waste water treatment contribute more greenhouse gases.