Farklı atık yönetim senaryolarının sera gazı salımına etkilerinin araştırılması
Investigation of different waste management scenarios on effects of greenhouse gas emissions
Yazar: HÜSEYİN GÜVEN
Danışman: PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Katı atıklar = Solid wastes ; Küresel ısınma = Global warming ; Sera gazı = Greenhouse gases

Özet:
Küresel ısınmanın olumsuz etkileri özellikle son yıllarda belirgin bir biçimde görülmeye başlanmıştır. Küresel ısınmanın başlıca sorumlusu ise sera gazlarıdır. 200 yıl öncesine kadar Dünya'daki sera gazlarının konsantrasyonunda önemli bir değişim görülmemesine rağmen 19.yy'dan itibaren Sanayi devrimi ile başta CO2 olmak üzere birçok sera gazının konsantrasyonu önemli ölçüde artmıştır.Atmosferdeki sera gazı emisyonun artmasında enerji ihtiyacı nedeniyle yapılan faaliyetler, endüstriyel işlemler ve tarımsal işlemler ile birlikte atık bertarafı işlemleri etkili olmaktadır. Atık sektörü, enerji sektörü ile endüstriyel işlemlerin ardından en fazla sera gazı emisyonuna neden olan üçüncü sektördür. Bu nedenle atık sektöründen kaynaklanan sera gazı emisyonlarının azaltılması toplam sera gazı emisyonunun azaltılmasında büyük rol oynamaktadır. Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) verilerine göre Türkiye'de 2010 yılında atmosfere verilen toplam sera gazı ~402x106 CO2 eşdeğeri olup bunun yaklaşık %9'u atık bertarafı işlemlerinden kaynaklanmıştır. 1990 yılında atık sektöründen kaynaklanan sera gazı emisyonu ~9,7x106 CO2 eşdeğeri iken 2010 yılındaki emisyon ~35,8x106 CO2 eşdeğerine yükselmiştir. 1990 ile 2010 yılları arasındaki emisyonun %270 oranında artması bu konunun önemini göstermektedir.Bu çalışma kapsamında, Türkiye genelinde 2003-2032 dönemini kapsayan üç adet atık yönetim senaryosu çalışılmış ve her bir yönetim planının uygulanması durumunda atmosfere ne kadar sera gazı salınacağı hesaplanmıştır. Uygulanan atık yönetim planları farklı atık bertaraf metotlarını içerip çalışma sonucunda hangi atık yönetim planından daha az sera gazı oluşacağı değerlendirilmiştir. Senaryoların çalışılmasından önce nüfus ve atık projeksiyonları yapılmıştır. Nüfus tahminlerinde şehir ve kırsal nüfus ayrı ele alınmıştır. Nüfus projeksiyonu metodunun seçilmesinde ise Birleşmiş Milletler Kalkınma Programı'nın (UNDP) ve TÜİK'in nüfus projeksiyonları değerlendirilmiştir. UNDP ve TÜİK'in yaptığı nüfus tahminlerinin yaklaşık olarak aynı sonuçları verdiği görülmüştür. Nüfus projeksiyonlarında hem şehir hem de kırsal nüfus tahminlerinin bulunmasından dolayı UNDP'nin 2009 yılında yaptığı nüfus tahminleri kullanılmıştır. Her bir şehir için şehir ve kırsal nüfuslar 2032 yılına kadar hesaplanmıştır. Atık projeksiyonunda ise Katı Atık Ana Planı'ndan (KAAP) faydalanılmıştır. Oluşacak kentsel katı atık (KKA) miktarlarının tahmininde KAAP'ta verilmiş olan birim atık oluşum hızları kullanılmıştır. Buna ek olarak her bir KKA bileşeninin ne miktarda oluşacağının tahmini için her bir atık havzası için KAAP'ta verilmiş olan atık karakterizasyonu tablolarından yararlanılmıştır. KAAP'ta birim atık oluşum değerleri ve atık projeksiyonu için tahmin bulunmayan yıllar için önceki yıllar göz önünde bulundurularak uygun değerler verilmiştir. Çalışma kapsamında senaryolara geçilmeden önce Türkiye'deki mevcut atık yönetimi ve atık bertaraf bileşenleri değerlendirilmiştir. Bu amaçla Türkiye'deki düzenli depolama tesisleri (DDT), kompost tesisleri, ambalaj atıklarının durumu ve sokak toplayıcılarının durumu gözden geçirilmiştir.Çalışma kapsamında DDT, kompost, biyometanizasyon ve yakma tesislerine KKA kabulünün 2032 yılı sonu itibariyle sona ereceği kabul edilmiştir. Çalışmada düzensiz depolama sahalarından kaynaklanacak emisyonlar da hesaplanmıştır. 2020 senesi itibariyle tüm düzensiz depolama sahalarının kapatılıp rehabilite edileceği kabul edilmiştir. Düzenli depolama tesislerinin kapatılmasını müteakip belli bir süre önemli ölçüde gaz salımı devam ettiği için tüm senaryolar için sera gazı emisyonları 2003-2052 dönemi için hesaplanmıştır. İncelenen ilk senaryoda oluşacak KKA'nın büyük çoğunluğunun DDT'lerde depolanacağı kabul edilmiştir. Bu senaryoda hali hazırda işletilmekte olan kompost tesisleri (İstanbul, İzmir, Denizli ve Kemer) 2032 yılı sonuna dek hizmet verecektir. Birinci senaryoda atıkların karışık olarak toplanacağı öngörülmüştür. İkinci ve üçüncü senaryoda ise büyükşehir belediyeleri (BB) ile diğer belediyeler için farklı atık yönetimleri oluşturulmuştur. Bu senaryolarda büyükşehir belediyelerindeki KKA ağırlıklı olarak yakma tesislerine gönderilecektir. Yakma tesislerinin 2015 yılında hizmet vermeye başlayacağı öngörülmüştür. Büyükşehir belediyelerinde hizmet verecek olan yakma tesisleri 2015 yılında oluşan toplam atığın %25'ini işleyecek kapasiteye sahip olacaktır. 2025 yılına gelindiğinde ise yakma tesislerinin maksimum kapasiteye ulaşıp, oluşan toplam KKA'nın %75'ini işleme kapasitesine sahip olacağı kabul edilmiştir. Yakma tesisine gönderilmeyen KKA'nın ambalaj atıkları olan kısmı ise maddesel geri kazanım tesislerine (MGT) gönderilecektir. Diğer belediyelerde ise etkin bir ikili toplama sistemi oluşturulup biyobozunur atıkların ve ambalaj atıklarının geri kazanımının yüksek bir verimle sağlanacağı öngörülmüştür. Bu çalışmada söz konusu belediyelerde şu an itibariyle ikili toplamanın mevcut olmadığı kabul edilmiştir. İkili toplama sisteminin 2013 yılında kurulmaya başlanacağı ve 2015 ve sonrasındaki yıllarda KKA'nın %67'lik bir verim ile ikili toplanacağı varsayılmıştır. Ayrı toplanabilen biyobozunur atığın ikinci senaryoda biyometanizasyon tesislerine, üçüncü senaryoda ise kompost tesislerine gönderilmesi düşünülmektedir. Her iki senaryoda da ayrı toplanan ambalaj atıkları MGT tesislerine gönderilecektir. Ayrı toplanamayan toplam atığın %33'lük kısmı ise direkt olarak DDT'lere gönderilecektir. İkinci ve üçüncü senaryo için öngörülmüş olan ikili toplama sistemi aynı zamanda büyükşehir belediyelerinde de uygulanacaktır. Ancak büyükşehir belediyelerinde KKA'nın ağırlıklı olarak yakma tesislerinde bertaraf edilmesi öngörüldüğü için, uygulanacak ikili toplama sistemi diğer belediyelerde olduğu kadar kapsamlı olmayıp, genellikle yüksek gelir grubuna sahip insanların ikamet ettiği bölgelerdeki ambalaj atıklarının ayrı toplanmasını sağlayacaktır. Dolayısıyla 2025 ve sonrasında oluşan toplam KKA'nın yakma tesisine gönderilmeyen kısmının %67'si (toplam KKA'nın %25'inin %67'si) MGT gönderilirken geriye kalan kısmı ise DDT'lerde bertaraf edilecektir. Büyükşehir belediyelerinde biyometanizasyon veya kompost tesislerinin kurulması öngörülmemektedir. Dolayısıyla yakma tesislerine gönderilmeyen biyobozunur KKA direkt olarak DDT'lere gönderilecektir.Düzenli depolama tesislerinden ve düzensiz depolama sahalarından kaynaklanan emisyonların hesabında Hükümetler Arası İklim Değişimi Paneli'nin (IPCC) 2006'da hükümetlerin katı atık depolama tesislerinden kaynaklanan sera gazı emisyonları ile ilgili ulusal bir envanter oluşturmalarını sağlamak amacıyla yayımladığı model kullanılmıştır. IPCC modeli metan emisyonu hesaplamalarında atığın birinci mertebeden bozunma kinetiğine göre ayrıştığını kabul etmektedir. IPCC modeli, kullanıcıya model içerisine nüfusu, birim atık üretimini ve atık kompozisyonunu girmesine imkan tanımaktadır. Modelde aynı zamanda farklı KKA bileşenlerine ait ayrışabilir organik karbon (DOC) ve metan oluşum katsayıları ile diğer değişkenler gerektiği takdirde değiştirilebilmektedir. Çalışma kapsamında yapılan hesaplarda depolama alanları düzenli ve düzensiz olmak üzere iki ayrı kategoride incelenmiştir. Düzensiz depolama alanları ise kendi içinde sığ ve derin olarak ikiye ayrılmıştır. TÜİK'ten alınan veriler doğrultusunda yıllara göre düzenli ve düzensiz depolama alanlarının yüzdeleri belirlenmiştir. Buna göre 2002 yılında tüm atık depolama alanlarının %28'si DDT iken çalışma kapsamında 2020 yılında bu oranın %100'e ulaşacağı öngörülmektedir. DDT'lerde biyogazın %70'lik verimle toplanacağı kabul edilmiştir. Bu şekilde DDT'lerde oluşan metanın %70'inin CO2'ye dönüştükten sonra atmosfere verileceği öngörülmüştür. Düzensiz depolama sahalarının %40'ında toplanan depo gazı gaz yakıcılarda (flare) yakılırken %60'ında ise bu işlem yapılmayacaktır. Flare bulunan sahalarda depo gazının %50 verimle toplanabileceği ve bu şekilde oluşan metanın %50'sinin CO2 olarak atmosfere verileceği kabul edilmiştir. Biyometanizasyon, kompost ve yakma tesislerinden kaynaklanan emisyonların hesabında ise literatürden derlenen emisyon faktörleri kullanılmıştır. Kompost, biyometanizasyon ve yakma tesislerinden kaynaklanan CO2 emisyonları sırasıyla 169,5 kg/ton atık, 353 m3/ton atık ve 1.000 kg/ton atık olarak alınmıştır. Benzer şekilde CH4 emisyonları ise kompost tesisleri için 2,3 kg/ton atık, biyometanizasyon tesisleri için ise 454 m3/ton atık olarak alınmıştır. Düzgün işletilen bir yakma tesisinden kaynaklanacak CH4 emisyonu ihmal edilebilir düzeyde olduğu için hesaplamalarda yakma tesislerinden kaynaklanan CH4 emisyonu sıfır olarak alınmıştır. Çalışmada, sadece KKA'nın kendisinden kaynaklanan sera gazı emisyonları hesaplanmıştır. Dolaylı sera gazı emisyonları hesaplanmamıştır. Tüm bertaraf tesislerinden kaynaklanacak emisyonlar hesaplandıktan sonra CO2 eşdeğeri olarak ifade edilmiştir. 1 birim metanın CO2 eşdeğerinin 25 birim CO2 olduğu kabul edilerek hesaplanan metan emisyonları 25 ile çarpılmış ve toplam emisyonlar CO2 eşdeğeri olarak elde edilmiştir.Elde edilen sonuçlara göre birinci ve üçüncü senaryoda 2003-2052 dönemi için hesaplanan sera gazı emisyonları birbirine oldukça yakın çıkmıştır. Birinci ve üçüncü senaryolarda sırasıyla ~783 ve ~782 milyon CO2 eşdeğeri emisyonun atmosfere salınacağı hesaplanmıştır. En fazla emisyon salımının ise ~870 milyon CO2 eşdeğeri ile ikinci senaryoda gerçekleşeceği ortaya çıkmıştır. Sonuç olarak çalışılan senaryolardan en sera gazı salımına neden olan atık yönetim senaryosunun birinci ve üçüncü senaryo olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
The negative effects of global warming, especially in recent years began to be seen clearly. Greenhouse gases (GHGs) are the main responsible for global warming. Although there was not a significant change in the concentration of GHGs in the Earth until the 19th century, since the 1800s with the industrial revolution, the concentrations of GHGs, especially CO2, have increased substantially.Greenhouse gas emissions in the atmosphere are increased due to the need of energy, industrial and agricultural processes in conjunction with waste disposal procedures. Waste sector greenhouse gas emissions are the third contributor in the global greenhouse gas emissions after energy sector and industrial processes. Therefore, reduction of greenhouse gas emissions from waste sector plays an important role in reducing global GHG emissions. According to Turkish Statistical Institute (TUIK), ~402x106 CO2 equivalent GHG were released to the atmosphere in 2010 and waste sector was responsible 9% of the total emissions, approximately. While emission caused by waste sector was ~9.7x106 CO2 equivalent in 1990, it raised ~35.8x106 CO2 equivalent in 2010. Between 1990 and 2010, emission rate was incresed by 270% which indicates the importance of the issue.In this study, for 2003-2032 periods, three separate waste management scenarios for Turkey were studied and in case of the implementation of an each management scenario how much greenhouse gases were released to the atmosphere was calculated. Implemented waste management scenarios were included different waste disposal methods. At the end of the study, it was evaluated that which waste management plan causes less GHG emission. Before studying scenarios, population and waste projections were applied. Urban and rural population estimations were evaluated separately. Population projections of United Nation Development Programme (UNDP) and TUIK were evaluated to determine population projection method. It was understood that both two projections gave similar results. The year of 2009 population estimations of UNDP was used for population projection since it has population predictions for both urban and rural population. Urban and rural population of each city was calculated until 2032 by using estimations of UNDP. On the other hand, Solid Waste Master Plan was used for municipal solid waste generation (MSW) projection. Unit waste generation rates for each waste basin were used to calculate waste amount. To calculate MSW components, MSW characterization tables for each waste basin were used. However, unit waste generation rates and MSW characterization tables do not exist for some years in Solid Waste Master Plan, appropriate values were given for missing years. Before studying of the scenarios, existing solid waste management and waste disposal components in Turkey were evaluated. For this purpose, sanitary landfills,composting facilities, packing waste policy and activities of garbage men in Turkey were reviewed.In the study, it was assumed that sanitary landfills, compost, biomethanization and incineration facilities will accept waste until end of the 2032. Emissions caused by dumping sites were also calculated in the study. Until 2020, it was accepted that all open dumping sites will be rehabilitated and after closed. After closure of sanitary landfills, remarkable amount of landfill gas (LFG) is still produced for a long time. That is why, GHG emissions were calculated for 2003-2052 periods. In the first scenario, it was assumed that most of the generated MSW will be sent to the sanitary landfills. It was accepted that compost facilities that are operated at present (Istanbul, Izmir, Denizli and Kemer) will be served until end of 2032. Mixed collection system will be used in this scenario. Second and third scenarios indicate different waste managements for metropolitan municipalities and other municipalities. In these scenarios, generated MSW will be sent to incineration facilities in metropolitan municipalities. Incineration facilities will begin to serve by the start of 2015. In 2015, incineration facilities, which will be constructed in metropolitan municipalities, will able to process 25% of the total generated waste. In 2025, incineration facilities will reach maximum capacity and will able to process 75% of the total generated MSW. The fraction of MSW, which will not be operated in incineration facilities, will be sent to either material recovery facilities (MRFs) or sanitary landfills. In other municipalities, it was accepted that an effective dual collection system will be established so recovery of biodegradable waste and recycling of package waste will able to be accomplished by a high efficiency. In the study, it was assumed that there is not a dual collection system in these municipalities at present. Dual collection system will be established in 2013 and 67% of the generated MSW will able to be collected separately in 2015 and in the following years. Separated part of the biodegradable waste will be sent to biomethanization facilities in second scenario while the same fraction will be sent to composting facilities in third scenario. Packing waste will be sent to MRFs in both two scenarios. 33% of the generated waste will be sent to sanitary landfills since this fraction will not able to be collected separately. Mentioned dual collection system efficiency will also be valid for metropolitan municipalities since most of the generated MSW will be incinerated. However, dual collection system will not be as comprehensive as in other municipalities and it will be mostly applied in high income residential areas. Thus, after 2025, 67% of the packing waste (67% of 25% of MSW) which will not be sent to incineration facilities will be operated in MRFs while the remaing part will be sent to sanitary landfills directly. In metropolitan municipalities, it was accepted that there will be neither biomethanization nor composting facility so if the biodegradable fraction of the generated MSW will not be sent to incineration facilities this fraction will be sent to sanitary landfills directly.Emissions caused by sanitary landfills and waste dumping sites are computed by model of Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The model was developed in 2006 in order to guide governments to constitute their national greenhouse gas inventories caused by landfills. IPCC model uses first order decay in methane emission calculations. The model allows user to enter population, unit waste generation rate and MSW composition. It also allows changing default degradable organic carbon (DOC) fractions and methane generation rate constants of the different MSW types and other some variables if neccesary. In the study, landfills were categorized as sanitary landfills and dumping sites. In addition, dumping sites were divided into shallow and deep dumping sites. Percentage of sanitary landfills and dumping sites were determined by data obtained from TUIK. According to TUIK, 28% of landfills were sanitary landfills in 2002. In the study, it was accepted that 100% of landfills will be operated as sanitary landfills in 2020. It was assumed that generated biogas will be collected by 70% efficiency. Thus, in sanitary landfills, 70% of generated methane will be converted to CO2 and after will be released to the atmosphere. While 40% of dumping sites will have flare to convert from methane to CO2, 60% of dumping sites will not have flare. It was assumed that generated landfill gas will be collected by 50% efficiency in dumping sites, which have flare, and therefore, 50% of generated methane will be converted to CO2 then will be released to the atmosphere. To calculate emissions derived from biomethanization, composting and incineration facilities, emission factors reviewed from literature were used. CO2 emissions caused by composting, biomethanization and incineration were accepted as 169.5 kg/ton waste, 353 m3/ton waste and 1,000 kg/ton waste, respectively. Similarly, CH4 emissions caused by composting and biomethanization were accepted as 2.3 kg/ton waste and 454 m3/ton waste, respectively. It was assumed that CH4 emission can be neglected by a well-operated incineration facility, so CH4 emission of incineration facilities was taken as zero. In the study, GHG emissions were calculated only from the MSW itself. Indirect GHG emissions were not calculated. After calculation of all emissions derived from all disposal facilities they were expressed in terms of CO2 equivalent. It was accepted that CO2 equivalent of 1 unit methane is 25 units of CO2. That is why, all calculated methane emissions were multiplied by 25 and total emissions were obtained in terms of CO2 equivalent.According to calculations, GHG emission caused by first and third scenarios were so close to each other in 2003-2052 periods. ~783 and ~782 million CO2 equivalent emission will be released to the atmosphere in first and third scenarios, respectively. Maximum emission will be caused by second scenario with ~870 million CO2 equivalent emission. Consequently, among the studied scenarios, it was understood that first and third waste management scenarios lead to minimum GHG emission.