Calculation of Solid Waste Collection Induced Air Pollutant Emissions through Spatial Analysis for Different Vehicle Capacities: A Case Study in Cigli, Izmir

Abstract

In this study, A Geographic Information System (GIS) based methodology was presented to calculate the emissions of solid waste collection induced important air pollutants (CO, NMVOC, NOx, PM, N2O, NH3, SO2 and CO2) and to analyze the effect of collection vehicle capacity (8 + 1 m3 and 13 + 1.5 m3) on pollutant emissions and the methodology was applied to the district of Cigli in Izmir. Determination of optimum routes, total distances and total vehicle driving times were calculated through GIS-based Vehicle Routing Problem (VRP) method. Afterwards, emissions were calculated through the multiplication of fuel consumptions, obtained as a result of GIS analysis, and emission factors related to vehicle and fuel type. Results show that total fuel consumption increases while the number of employees and vehicles required are reduced when large vehicles are used. Collection with the large vehicle resulted in 17% increase in all emissions compared to the small vehicle. This study provides solid waste management planners, with basic GIS knowledge, a simple and fast modeling method that can be applied with little data for planning optimal collection routes and calculating emissions.

Keywords

• Solid Waste Collection,Air Pollution Emissions,GIS,VRP,Emission Inventory

Katı Atık Toplama ve Taşıma Sisteminden Kaynaklanan Hava Kirleticileri Emisyonlarının Mekansal Analiz Teknikleri ile Farklı Araç Kapasiteleri için Hesaplanması: İzmir Çiğli Örneği

Abstract

Bu çalışmada evsel katı atık toplama ve taşıma sisteminden kaynaklanan önemli hava kirleticileri (CO, NMVOC, NOx, PM, N2O, NH3, SO2 ve CO2) emisyonlarının hesaplanması ve toplama aracı kapasitesinin (8+1 m3 ve 13+1.5 m3) kirletici emisyonlarına etkisinin incelenmesi için Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) tabanlı bir yöntem geliştirilmiş ve İzmir’in Çiğli ilçesi için uygulanmıştır. CBS tabanlı Vehicle Routing Problem (VRP) yöntemi ile optimum güzergahların tayini, toplam kat edilen mesafelerin ve toplam araç çalışma sürelerinin tespiti gerçekleştirilmiştir. Akabinde araç ve yakıt türüne bağlı emisyon faktörleri ve CBS analizleri sonucu elde edilen yakıt tüketiminin çarpımına dayalı hesaplama yöntemi ile emisyonlar hesaplanmıştır. Bulgular büyük araç ile toplama yapılması halinde ihtiyaç duyulan işçi ve araç sayısı azalırken toplam yakıt tüketiminin arttığını göstermektedir. Büyük araçla toplama yapılması halinde çalışma kapsamında değerlendirilen hava kirleticilerinin tamamının emisyonlarında küçük araca göre %17 artış hesaplanmıştır. Bu çalışma temel CBS bilgisi olan katı atık yönetimi planlayıcılarına optimum toplama güzergahlarının planlanması ve emisyonların hesaplanması için az veri ile uygulanabilir, basit ve hızlı bir modelleme yöntemi sunmaktadır.

Keywords

• Katı Atık Toplama,Hava Kirletici Emisyonları,CBS,VRP,Emisyon Envanteri

References

1. Abdelli I.S., Abdelmalek, F., Djelloul A., Mesghouni K., Addou A., (2016), GIS-Based Approach for Optimised Collection of Household Waste in Mostaganem City (Western Algeria), Waste Management and Research, 34(5), 417–26.
2. Apaydin O., Gonullu M.T., (2011), Route Time Estimation of Solid Waste Collection Vehicles Based on Population Density, Global Nest Journal, 13(2), 162–69.
3. Apaydin O., Gonullu M.T., (2008), Emission Control with Route Optimization in Solid Waste Collection Process: A Case Study Sadhana - Academy Proceedings in Engineering Sciences, 33(2), 71–82.
4. Chatzouridis C., Komilis D., (2012), A Methodology to Optimally Site and Design Municipal Solid Waste Transfer Stations Using Binary Programming, Resources, Conservation and Recycling, 60, 89-98.
5. ÇMO, (2018), Hava Kirliliği Raporu 2018, TMMOB Çevre Mühendisleri Odası, Ankara, http://cmo.org.tr/resimler/ekler/ 9d62b3a2bb620a4_ek.pdf, [Erişim 24 Şubat 2020].
6. ÇŞB, (2019a), 2019 Yılı İnşaat Genel Fiyat Analizleri, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, https://webdosya.csb.gov.tr/db/yfk/icerikler/ insaat-fiyat-analizleri-2019-turkce.pdf, [Erişim 24 Şubat 2020].
7. ÇŞB, (2019b), Çevresel Göstergeler, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, https://cevreselgostergeler.csb.gov.tr/hava-kalitesinde-pm10-ve-so2-ortalamalari-i-85734, [Erişim 24 Şubat 2020].
8. Das S., Bhattacharyya B.K., (2015), Optimization of Municipal Solid Waste Collection and Transportation Routes, Waste Management, 43, 9-18.

9. Demirel H., Ateş A., (2018), Sapanca Havzasında Karayolu Trafiğinden Kaynaklanan Hava Kirleticilerinin Emisyon Envanteri, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22(2), 150-158.
10. EPA, (2016), Air Quality Standards under the Air Quality Directive, and WHO Air Quality Guidelines, European Environment Agency https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/air-quality-standards-under-the, [Erişim 12 Aralık 2019].
11. EPA, (2019), EMEP/EEA air pollutant emission ınventory guidebook 2019, European Environment Agency, https://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guidebook-2019, [Erişim 24 Şubat 2020].
12. ESRI, (2020), Basemaps and Imagery | Digital Map Solutions, https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/data-location-services/data/basemaps-imagery#image1, [Erişim 24 Aralık 2019].
13. Hannan M.A., Akhtar M., Begum R.A., Basri H., Hussain A., Scavino E., (2018), Capacitated Vehicle-Routing Problem Model for Scheduled Solid Waste Collection and Route Optimization Using PSO Algorithm, Waste Management, 71, 31-41.
14. Komilis D., (2008), Conceptual Modeling to Optimize the Haul and Transfer of Municipal Solid Waste, Waste Management, 28(11), 2355-2365.
15. Mantzaras G., Voudrias E.A., (2017), An Optimization Model for Collection, Haul, Transfer, Treatment and Disposal of Infectious Medical Waste: Application to a Greek Region, Waste Management, 69, 518-534.
16. MEU, (2019), Turkey’s Informative Inventory Report (IIR) 2019, Ministry of Environment and Urbanization, Ankara, Turkey.
17. Molina J.C., Eguia I., Racero J., (2019), Reducing Pollutant Emissions in a Waste Collection Vehicle Routing Problem Using a Variable Neighborhood Tabu Search Algorithm: A Case Study, TOP, 27, 253-287.
18. Mutlu A., (2019), Balıkesir Şehir Merkezinde Trafik Kaynaklı Hava Kirliliği Seviyelerinin Analizi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 21(1), 152-168.
19. OSM, (2020), OpenStreetMap, https://www.openstreetmap.org/#map=6/39.031/35.252, [Erişim 4 Kasım 2019].
20. Şahlan Makina A.Ş., (2019), 7+1 ve 8+1 Hidrolik Sıkıştırmalı Çöp Kasası, https://www.hidroticaret.com/71-ve-81-hidrolik-sikistirmali-cop-kasasi-pmu1660, [Erişim 6 Ocak 2020].
21. Solmaz H., Çelikten İ., (2012), Estimation of Amount of Pollutants Generated by Vehicles in Turkey Until 2030, Gazi University Journal of Science GU J Sci., 25(2), 495-503.
22. Tchobanoglous G., Kreith F.., (2002), Handbook of Solid Waste Management, Second Edition, McGraw-Hill, New York, 950ss.
23. TÜİK, (2017), Kişi Başı Ortalama Belediye Atığı Miktarı, Türkiye İstatistik Kurumu, https://biruni.tuik.gov.tr/medas/?kn=119& locale=tr, [Erişim 8 Aralık 2019].
24. TÜİK, (2018), Seragazı Emisyon İstatistikleri, 2016, Türkiye İstatistik Kurumu, http://www.tuik.gov.tr/PreHaber Bultenleri.do?id=27675, [Erişim 20 Şubat 2020].
25. TÜİK, (2019), Merkezi Dağıtım Sistemi, Türkiye İstatistik Kurumu, https://biruni.tuik.gov.tr/medas/, [Erişim 18 Aralık 2019].
26. US EPA, (2019), Overview of Air Pollution from Transportation, https://www.epa.gov/transportation-air-pollution-and-climate-change/learn-about-air-pollution-transportation, [Erişim 20 Aralık 2019].
27. Vu H.L., Bolingbroke D., Ng K.T.W., Fallah B., (2019), Assessment of Waste Characteristics and Their Impact on GIS Vehicle Collection Route Optimization Using ANN Waste Forecasts, Waste Management, 88, 118-130.
28. Wagner V., Rutherford D., (2013), Survey of Best Practices in Emission Control of In-Use Heavy-Duty Diesel Vehicles, International Council on Clean Transportation (ICCT), Washington D.C., USA, 64ss.
29. WHO, (2018), Ambient (Outdoor) Air Pollution, World Health Organization, https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ ambient-(outdoor)-air-quality-and-health, [Erişim 28 Kasım 2019].
30. WHO, (2020), WHO | Air Pollution, World Health Organization, https://www.who.int/sustainable-development/transport/health-risks/ air-pollution/en/, [Erişim 28 Kasım 2019].
31. Yalcinkaya S., (2020), A Spatial Modeling Approach for Siting, Sizing and Economic Assessment of Centralized Biogas Plants in Organic Waste Management, Journal of Cleaner Production, 255:120040, doi: 10.1016/j.jclepro.2020.120040.
32. Yalçınkaya S., Kırtıloğlu, O.S., (2020), Organik Atıkların Yönetimi Için Coğrafi Bilgi Sistemleri Tabanlı Çok Kriterli Karar Destek Sistemi Oluşturulması: İzmir Örneği, TÜBİTAK ARDEB, İzmir.
33. Yapıcı, M., Koldemir, B., (2016), Yeni Teknoloji ve Alternatif Yakıt Uygulamalarının Hava Kirliliği Ile Römorkör Üretimine Etkilerinin Araştırılması, Journal of ETA Maritime Science, 4 (2), 105–12.
34. Yildiz Ş., Saltabas F., Yalcinkaya S., Kemirtlek A., (2009), Katı Atık Toplama ve Taşıma Optimizasyonu Kağıthane Örneği, Türkiye’de Katı Atık Yönetimi Sempozyumu Bildiriler Kitabı TÜRKAY 2009, 15-17 Haziran, İstanbul, ss.17-25.