Moving towards a circular economy: evaluating waste management practices

Nowadays waste has become a vital part of our economy, as a by-product of economic activity. It originates from businesses, the government and households and following appropriate management techniques, it can be used as an input to economic activity for instance through material or energy recovery. Waste is produced by all activities and although it is a locally arising problem it has both local and global effects. According to the European Union (EU) Waste Framework Directive 2008/98/EC, ‘any substance or object which the holder discards or intends or is required to discard is defined as waste’. In addition municipal waste consists of waste collected by or on behalf of municipal authorities and disposed of via established waste management systems. Waste arisings have been increasing over the past few years, hence their management has proved to be a rather challenging issue in the 21st century and a lot of research is being conducted in this field. This Thesis will deal with the issue of Municipal Solid Waste (MSW) and will evaluate potential and current waste management options as well as examine various aspects around this topic. Both EU and worldwide data will be employed in those regards and both at regional and country levels in order to better reflect today’s situation. Also the cultural characteristics of EU Member States as well as energy efficiency are assessed in relation to MSW. Finally the relationship between MSW arisings and education is examined. All these attributes are evaluated taking the financial crisis into account that has affected the EU and the world severely especially since 2008, which obviously has influenced people’s attitudes and treatment options. Sustainable waste management requires the combination of skills and knowledge of physical sciences and engineering together with economics, ecology, human behaviour, entrepreneurship and good governance. The policy framework and the legislative background around MSW is discussed in this Thesis under the Circular Economy approach having in mind the idea of closing the loop and hence achieving a more efficient use of resources.With regards to the regional level EU analysis, this is conducted with the use of Data Envelopment Analysis (DEA). DEA is a non-parametric approach that is used to measure the efficiency of certain Decision Making Units (DMUs) by employing linear programming techniques. With DEA one can measure the efficiency performances of comparable DMUs which have multiple (usually) inputs and likewise outputs in conditions where there is accurate information on their values and no knowledge about their relationship. In this specific analysis both good and bad outputs are taken into account and different frameworks are designed. Five parameters (waste generation, employment rate, capital formation, Gross Domestic Product (GDP) and population density) are used for 172 EU regions and for the years 2009, 2011 and 2013. In this way four frameworks have been designed, each with different inputs and outputs. The results show the most efficient EU regions according to each framework, but it should be noted that results from different frameworks should not be compared with each other. Results suggest that the highest performers are regions in Belgium, Italy, Portugal and the UK. Finally, the efficiency results from DEA are reviewed against the treatment options employed in the relevant regions to assess overall sustainability of the regions examined. Findings show that, although a country might be efficient according to DEA and by taking various factors into consideration, this does not necessarily mean that regions within a country use sustainable waste treatment options, as it is essential to account for trade and shipment of waste between regions and countries as well. These findings may prove valuable for the planning of environmental policies, especially on an EU regional level. A further part of this Thesis deals with the efficiency of the 28 EU Member States for the years 2008, 2010, 2012 and 2014 by DEA. Eight parameters are used, namely MSW generation, employment rate, capital formation, GDP, population density and for the first time sulphur oxide (SOx), nitrogen oxide (NOx) and greenhouse gases (GHG) emissions from the waste sector for the relevant countries. The empirical results obtained were bias corrected in order to get the correct efficiency scores for each country studied. Overall the most efficient countries were shown to be Germany, Ireland and the UK. These results were then reviewed against the recycling rate of each country for the examined time periods. The recycling rate actually depicts the DEA results, namely more efficient countries seem to have a higher recycling rate too. Moreover the DEA efficiency results were contrasted to the overall treatment options used in the countries under consideration. It is noticed that countries employing all four treatment options with high use of more sustainable ones and decrease in the use of landfill are the ones that also proved to be efficient according to DEA. These results resemble the image of a financial crisis hit Europe which tried to take advantage of the more sustainable treatment options in order to achieve a transition to a circular economy, whereas the value of products, materials and resources needs to be maintained in the economy for as long as possible and the generation of waste minimised. This can be a valuable lesson for policy makers in the design and application of national and EU legislations and directives in order to achieve also the targets towards a circular economy driven Europe. Furthermore MSW is assessed through the lense of cultural dimensions and the formation of a ‘waste culture’. This analysis first evaluates environmental efficiency with DEA based on five parameters: waste, GDP, labour, capital and population density for 22 EU Member States and for the years 2005, 2010 and 2015 in order to evaluate which Member States are more efficient. Then the efficiency results are contrasted to Hofstede’s and Schwartz’s cultural dimensions on STATA with theuse of regression modelling. Results show that for year 2005 no significant relationship is noticed for both cultural models, whereas for years 2010 and 2015 there appears to be a significant connection. The above-mentioned findings can again be associated with the financial crisis that has hit Europe after 2008 making people more sceptical, while EU legislations have laid out some important directives in the field of waste management. Finally, along with the factors above, EU has faced severe environmental challenges due to waste arisings, as well as accidents and injuries for people working in this sector, which in turn have widely modified EU’s waste culture as supported by this analysis’ results. Moreover this Thesis examines energy efficiency across 28 selected EU Member States and reviews the potential for energy recovery from waste according to the efficiency scores obtained. The efficiencies are assessed through DEA and the following variables are used, inputs: final energy consumption, labour, capital, population density and outputs: GDP, NOx emissions, SOx emissions and GHG emissions for the years 2008, 2010, 2012, 2014 and 2016. Results show that most countries maintain their efficiency scores with only a few marginally improving theirs and at the same time, it is noticed that most are decreasing after 2012. Based on these efficiency scores, it is recommended to move towards waste-to-energy with two main objectives, namely sufficient and sustainable energy production and effective treatment of MSW. This option would enhance the circular economy, whereas prioritization needs to be given to prevention, preparation for reuse, recycling and energy recovery through to disposal. Together with the EU Commission’s competition strategy, these would ensure reliable energy supplies at rational prices and with the least environmental impacts. Moreover the efficiency scores need to be examined along the financial crisis which has been affecting the EU since 2008, showing a decrease in those efficiency scores after 2012 under a more imminent crisis. Finally education has been shown to be closely related to the amount of MSW generated. The last part of this Thesis uses panel data obtained for 25 world counties for the years 1995-2016 and the examined variables include MSW, GDP and education level. Through econometric methods, the present analysis accounts for the presence of cross section dependence and uses appropriate panel unit root tests to discover feasible cointegrated relationships. Also it strongly accounts for the interdependence between MSW, economic growth and education level. Based on these, the validity of the Environmental Kuznets Curve (EKC) hypothesis is redefined. Specifically, an inverted U-shape relationship is observed both in the static and dynamic analyses for MSW. The calculated turning points although quite high they are in all cases within the sample. In all specifications the sign of education level is negative as expected. Therefore it is shown that education can act as an effective tool to enhance pro-environmental behaviours leading in turn to lower MSW arisings. Of course as the data and methodology used in these analyses are different the results themselves cannot be contrasted, but it is apparent that the current financial and political situation both in EU and worldwide has affected the development of the MSW sector and people’s attitudes as well. This was evident through all approaches whether the focus was on MSW itself or cultural dimensions or energy efficiency or even education.Στη σημερινή εποχή τα απόβλητα αποτελούν ζωτικό μέρος της οικονομίας μας, ως υποπροϊόν της οικονομικής δραστηριότητας. Προέρχονται από τις επιχειρήσεις, την κυβέρνηση και τα νοικοκυριά και με τις κατάλληλες τεχνικές διαχείρισης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εισροή στην οικονομική δραστηριότητα, για παράδειγμα μέσω της ανάκτησης υλικών ή ενέργειας. Παράγονται από όλες τις δραστηριότητες και παρόλο που είναι ένα τοπικό πρόβλημα, έχει τόσο τοπικές όσο και παγκόσμιες διαστάσεις. Σύμφωνα με την οδηγία-πλαίσιο 2008/98/ΕΚ της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ), «κάθε ουσία ή αντικείμενο που ο κάτοχος απορρίπτει ή προτίθεται ή υποχρεούται να απορρίψει ορίζεται ως απόβλητο». Επιπλέον, τα αστικά απόβλητα περιλαμβάνουν τα απόβλητα που συλλέγονται από ή για λογαριασμό των δημοτικών αρχών και διατίθενται μέσω των καθιερωμένων συστημάτων διαχείρισης αποβλήτων. Τα τελευταία χρόνια τα απορρίμματα συνεχώς αυξάνονται, επομένως η διαχείριση τους αναδεικνύεται ως ένα αρκετά μεγάλο ζήτημα του 21ου αιώνα και διεξάγονται αρκετές έρευνες στον τομέα αυτό. Η παρούσα διδακτορική διατριβή θα ασχοληθεί με το θέμα των αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ) και θα αξιολογήσει τις δυνητικές και τρέχουσες επιλογές διαχείρισης αποβλήτων καθώς και θα εξετάσει διάφορες πτυχές γύρω από αυτό το θέμα. Τόσο δεδομένα από την ΕΕ όσο και παγκόσμια θα χρησιμοποιηθούν και τόσο σε περιφερειακό όσο και σε εθνικό επίπεδο, ώστε να αντανακλούν καλύτερα τη σημερινή κατάσταση. Επίσης, τα πολιτιστικά χαρακτηριστικά των κρατών μελών της ΕΕ καθώς και η ενεργειακή απόδοση τους αξιολογούνται σε σχέση με τα ΑΣΑ. Τέλος, εξετάζεται η σχέση μεταξύ των ΑΣΑ και της εκπαίδευσης. Όλες αυτές οι ιδιότητες αξιολογούνται λαμβάνοντας υπόψιν την οικονομική κρίση, η οποία επηρέασε σοβαρά την ΕΕ και τον κόσμο ιδιαίτερα μετά το 2008, γεγονός που προφανώς επηρέασε με τη σειρά του και τις στάσεις και τις επιλογές των πολιτών. Η αειφόρος διαχείριση των αποβλήτων απαιτεί τον συνδυασμό δεξιοτήτων και γνώσεων των φυσικών επιστημών και της μηχανικής μαζί με την οικονομία, την οικολογία, την ανθρώπινη συμπεριφορά, την επιχειρηματικότητα και τη σωστή διακυβέρνηση. Το πλαίσιο πολιτικών και το νομοθετικό πλαίσιο γύρω από τα ΑΣΑ αναλύεται σε αυτή τη διατριβή στο πλαίσιο της Κυκλικής Οικονομίας λαμβάνοντας υπόψη την αποτελεσματικότερη χρήση των πόρων. Όσον αφορά την ανάλυση σε περιφερειακό επίπεδο της ΕΕ, αυτή γίνεται με τη χρήση της μεθόδου Data Envelopment Analysis (DEA). Η DEA είναι μια μη παραμετρική μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόδοσης ορισμένων μονάδων λήψης αποφάσεων χρησιμοποιώντας τεχνικές γραμμικού προγραμματισμού. Με την DEA μπορεί κανείς να μετρήσει τις επιδόσεις απόδοσης παρόμοιων μονάδων που έχουν πολλαπλές (συνήθως) εισροές και ανάλογες εκροές σε συνθήκες όπου υπάρχουν ακριβείς πληροφορίες για τις τιμές τους και καμία γνώση για τη μεταξύ τους σχέση. Στο πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριβής εξετάζονται 172 περιφέρειες της ΕΕ και για τα έτη 2009, 2011 και 2013 και χρησιμοποιούνται πέντε παράμετροι (παραγωγή αποβλήτων, ποσοστό απασχόλησης, σχηματισμός κεφαλαίου, ακαθάριστο εγχώριο προϊόν (ΑΕΠ) και πυκνότητα πληθυσμού). Έτσι σχεδιάζονται τέσσερα πλαίσια εισροών και εκροών. Τα αποτελέσματα δείχνουν τις πιο αποτελεσματικές περιφέρειες της ΕΕ ανάλογα με το κάθε πλαίσιο, αλλά πρέπει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα από διαφορετικά πλαίσια δεν πρέπει να συγκρίνονται μεταξύ τους. Τα συνολικά αποτελέσματα δείχνουν ότι οι πιο αποδοτικές περιοχές είναι οι περιοχές του Βελγίου, της Ιταλίας, της Πορτογαλίας και του Ηνωμένου Βασιλείου. Εν συνεχεία η αποτελεσματικότητα που προκύπτει από τη DEA επανεξετάζεται σε σχέση με τις επιλογές διαχείρισης αποβλήτων που εφαρμόζονται στις σχετικές περιοχές για την αξιολόγηση της συνολικής βιωσιμότητας των εξεταζόμενων περιφερειών. Σύμφωνα με τα συμπεράσματα, παρόλο που μια χώρα μπορεί να είναι αποτελεσματική σύμφωνα με τη DEA και λαμβάνοντας υπόψη διάφορους παράγοντες, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι οι περιφέρειες μιας χώρας χρησιμοποιούν επιλογές βιώσιμης επεξεργασίας αποβλήτων, καθώς είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψιν και η μεταφορά αποβλήτων μεταξύ περιφερειών και χωρών. Αυτά τα ευρήματα μπορεί όμως να αποδειχθούν πολύτιμα για τον σχεδιασμό περιβαλλοντικών πολιτικών, ειδικά σε περιφερειακό επίπεδο της ΕΕ. Ένα περαιτέρω μέρος αυτής της διατριβής ασχολείται με την αποτελεσματικότητα 28 κρατών μελών της ΕΕ για τα έτη 2008, 2010, 2012 και 2014 με τη χρήση της μεθόδου DEA. Χρησιμοποιούνται οκτώ παράμετροι, δηλαδή η παραγωγή ΑΣΑ, το ποσοστό απασχόλησης, ο σχηματισμός κεφαλαίου, το ΑΕΠ, η πυκνότητα του πληθυσμού και για πρώτη φορά εκπομπές οξειδίων του θείου (SOx), οξειδίων του αζώτου (NOx) και αερίων του θερμοκηπίου (GHG). Τα εμπειρικά αποτελέσματα που προέκυψαν υποβλήθηκαν σε διόρθωση μεροληψίας προκειμένου να ληφθούν τα σωστά αποτελέσματα για κάθε χώρα που μελετήθηκε. Συνολικά, οι πιο αποδοτικές χώρες αποδείχτηκαν ότι ήταν η Γερμανία, η Ιρλανδία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Αυτά τα αποτελέσματα εξετάστηκαν εν συνεχεία έναντι του ποσοστού ανακύκλωσης κάθε χώρας για τις εξεταζόμενες χρονικές περιόδους. Το ποσοστό ανακύκλωσης αντικατοπτρίζει τα αποτελέσματα της DEA, και μάλιστα οι πιο αποτελεσματικές χώρες φαίνεται να έχουν υψηλότερο ποσοστό ανακύκλωσης. Επιπλέον, τα αποτελέσματα της DEA εξετάστηκαν με τις συνολικές μεθόδους διαχείρισης αποβλήτων για τις υπό εξέταση χώρες. Συνολικά, παρατηρείται ότι οι χώρες που χρησιμοποιούν και τις τέσσερις επιλογές διαχείρισης με υψηλή χρήση πιο βιώσιμων και τη μείωση της χρήσης χώρων υγειονομικής ταφής είναι αυτές που αποδείχθηκαν επίσης αποτελεσματικές σύμφωνα με την DEA. Τα αποτελέσματα αντικατοπτρίζουν και την οικονομική κρίση που έπληξε την Ευρώπη, η οποία προσπάθησε να επωφεληθεί από τις βιώσιμες επιλογές διαχείρισης ΑΣΑ προκειμένου να επιτευχθεί η μετάβαση σε μια κυκλική οικονομία, ενώ η αξία των προϊόντων, των υλικών και των πόρων πρέπει να διατηρηθεί στην οικονομία όσο το δυνατόν περισσότερο και η παραγωγή αποβλήτων να ελαχιστοποιείται. Η συγκεκριμένη μελέτη μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο μάθημα για τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής όσον αφορά το σχεδιασμό και την εφαρμογή εθνικών και κοινοτικών νομοθεσιών και οδηγιών, προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι για μια Ευρώπη με κυκλική οικονομία.Επιπλέον, τα ΑΣΑ αξιολογούνται μέσω των πολιτιστικών διαστάσεων και του σχηματισμού μιας «κουλτούρας αποβλήτων». Η ανάλυση αυτή αξιολογεί πρώτα την περιβαλλοντική αποτελεσματικότητα με τη DEA βάσει πέντε παραμέτρων: τα ΑΣΑ, το ΑΕΠ, το εργατικό δυναμικό, το κεφάλαιο και τη πυκνότητα πληθυσμού για 22 κράτη μέλη της ΕΕ και για τα έτη 2005, 2010 και 2015, προκειμένου να αξιολογηθεί ποια κράτη μέλη είναι πιο αποτελεσματικά. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα απόδοσης αντιπαραβάλλονται με τις πολιτιστικές διαστάσεις του Hofstede και του Schwartz στο STATA με τη χρήση μοντέλων παλινδρόμησης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι για το έτος 2005 δεν παρατηρείται σημαντική σχέση με τα δύο πολιτιστικά μοντέλα, ενώ για τα έτη 2010 και 2015 φαίνεται να υπάρχει σημαντική σχέση. Τα προαναφερθέντα ευρήματα μπορούν να συνδεθούν και πάλι με την οικονομική κρίση που έπληξε την Ευρώπη μετά το 2008, καθιστώντας τους ανθρώπους πιο επιφυλακτικούς, ενώ οι νομοθεσίες της ΕΕ έχουν θεσπίσει ορισμένες σημαντικές οδηγίες στον τομέα της διαχείρισης αποβλήτων. Τέλος, παράλληλα με τους προαναφερθέντες παράγοντες, η ΕΕ αντιμετώπισε σοβαρές περιβαλλοντικές προκλήσεις λόγω της δημιουργίας αποβλήτων, καθώς και ατυχημάτων και τραυματισμών των εργαζομένων στον τομέα αυτό, οι οποίοι με τη σειρά τους έχουν επηρεάσει ευρέως την κουλτούρα αποβλήτων της ΕΕ, όπως υποστηρίζουν και τα αποτελέσματα της παρούσας ανάλυσης. Επιπροσθέτως, η διατριβή εξετάζει την ενεργειακή απόδοση σε 28 επιλεγμένα κράτη μέλη της ΕΕ και τις δυνατότητες ανάκτησης ενέργειας από τα απόβλητα σύμφωνα με τις αποτελεσματικότητες που έχουν αποκτηθεί μέσω της μεθόδου DEA και χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες μεταβλητές ως εισροές: τελική κατανάλωση ενέργειας, εργατικό δυναμικό, κεφάλαιο, πυκνότητα πληθυσμού και εκροές: ΑΕΠ, εκπομπές NOx, εκπομπές SOx και εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για τα έτη 2008, 2010, 2012, 2014 και 2016. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι περισσότερες χώρες διατηρούν τα επίπεδα αποτελεσματικότητας τους, ενώ παράλληλα οι περισσότερες αποτελεσματικότητες μειώνονται μετά το 2012. Με βάση αυτές τις αποτελεσματικότητες, συνιστάται να προχωρήσουμε προς την παραγωγή ενέργειας μέσω αποβλήτων με δύο κύριους στόχους, δηλαδή την επαρκή και βιώσιμη παραγωγή ενέργειας και την αποτελεσματική αντιμετώπιση των ΑΣΑ. Μια τέτοια επιλογή θα ενίσχυε την κυκλική οικονομία, ενώ πρέπει να δοθεί προτεραιότητα στην πρόληψη, προετοιμασία για επαναχρησιμοποίηση, την ανακύκλωση και την ανάκτηση ενέργειας των ΑΣΑ. Μαζί με τη στρατηγική ανταγωνισμού της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, αυτές οι πολιτικές θα εξασφαλίσουν αξιόπιστο ενεργειακό εφοδιασμό σε λογικές τιμές και με τις λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Επιπλέον, οι αποτελεσματικότητες πρέπει να εξεταστούν και συγκριτικά με τη χρηματοοικονομική κρίση που πλήττει την ΕΕ από το 2008, όπου φαίνεται και μείωση των αποτελεσματικοτήτων μετά το 2012 και την πιο επικείμενη κρίση. Τέλος, η εκπαίδευση έχει αποδειχθεί ότι συνδέεται στενά με το ποσό παραγωγής των ΑΣΑ. Το τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής χρησιμοποιεί δεδομένα που αποκτήθηκαν για 25 χώρες παγκοσμίως για τα έτη 1995-2016 και οι εξεταζόμενες μεταβλητές περιλαμβάνουν τα ΑΣΑ, το ΑΕΠ και το επίπεδο εκπαίδευσης. Μέσω οικονομετρικών μεθόδων, η παρούσα ανάλυση προσπαθεί να ανακαλύψει εφικτές σχέσεις συσχέτισης. Επίσης, δείχνει έντονα την αλληλεξάρτηση μεταξύ ΑΣΑ, οικονομικής ανάπτυξης και επιπέδου εκπαίδευσης. Βάσει αυτών επαληθεύεται η εγκυρότητα της υπόθεσης της περιβαλλοντικής καμπύλης Kuznets. Συγκεκριμένα, παρατηρείται μια ανεστραμμένη σχέση σχήματος U τόσο στις στατικές όσο και στις δυναμικές αναλύσεις για τα ΑΣΑ. Τα υπολογιζόμενα σημεία καμπής αν και αρκετά υψηλά είναι σε όλες τις περιπτώσεις μέσα στο δείγμα. Σε όλες τις αναλύσεις το πρόσημο του επιπέδου εκπαίδευσης είναι αρνητικό όπως αναμενόταν. Ως εκ τούτου, αποδεικνύεται ότι η εκπαίδευση μπορεί να λειτουργήσει ως αποτελεσματικό εργαλείο για την ενίσχυση των περιβαλλοντικών συμπεριφορών που οδηγούν με τη σειρά τους σε μείωση της παραγωγής ΑΣΑ. Φυσικά, δεδομένου ότι τα δεδομένα και η μεθοδολογία που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις αναλύσεις είναι διαφορετικά, τα ίδια τα αποτελέσματα δεν μπορούν να συγκριθούν, αλλά είναι φανερό ότι η τρέχουσα οικονομική και πολιτική κατάσταση τόσο στην ΕΕ όσο και παγκοσμίως έχει επηρεάσει την ανάπτυξη του τομέα των ΑΣΑ και της συμπεριφοράς των ανθρώπων. Αυτό κατέστη εμφανές σε όλες τις προσεγγίσεις, είτε το επίκεντρο αφορούσε τα ίδια τα ΑΣΑ είτε τις πολιτιστικές διαστάσεις ή την ενεργειακή απόδοση, είτε την εκπαίδευση