Διερεύνηση επαναχρησιμοποίησης επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων σε αστικές περιοχές, με στόχο την βέλτιστη αειφορική διαχείριση των αποβλήτων στο πρότυπο μίας «έξυπνης πόλης»

Abstract

This thesis provides a comprehensive investigation of the reuse of treated wastewater in urban areas characterized by Mediterranean conditions, focusing on their optimal sustainable management, under “smart city” approach. The multifaceted nature of the reuse of treated wastewater utilization, includes hydrological and qualitative constraints, technical-economic trade-offs, social acceptance and institutional maturity. While a plethora of international studies delve into individual dimensions, such as quality-health correlations and cost-benefit analyses, a coherent operational framework that integrates strategic policy priorities with quantified optimization objectives, performance indicators and clear allocations of use at an urban scale, remains rare. This thesis attempts to bridge this critical gap.The methodological approach consists of a comprehensive two-level decision-making framework. At the strategic level, the study codifies policy objectives into four criteria: Environment (E), Society (S), Cost-Financing (C) and Institutional Maturity (R). For each criterion, specific, measurable operational indicators F are formulated, which capture system dimensions including a) environmental impacts and compliance with quality standards, b) levels of social acceptance and willingness to participate, c) a thorough assessment of investment and operational costs in relation to benefits and d) assessments of institutional and managerial readiness. These indicators are normalized and aggregated into four strategic pillars G (Environment, Society, Cost/Financing, Institutional Maturity), with values of 0–1. The overall Z-value function, which results as a weighted sum of the pillars, allows for a transparent comparison of policy scenarios. At the operational level, a mathematical optimization model is designed to allocate the flows of treated wastewater to different urban applications, both on annual and seasonal timescales. This model takes into account constraints related to infrastructure capacity and effluent quality and recipient requirements, hydrological balances, as well as institutional and spatial feasibility. To account for uncertainty, various scenarios (regarding supply, demand and costs) are explored, accompanied by sensitivity analyses on indicator weights and main cost/risk parameters. The first chapters establish the framework by formulating the problem, research questions and contribution, systematizing the terminology and mapping the legislative and regulatory framework, developing the theoretical background and introducing the Priority Objectives (PO) and Optimization Objectives (OO). This is followed by presenting international good practices and a comparative dataset from fifteen cities, which is used for parameterization and verification of indicators and readiness for use. The following chapters describe the standardization of variables, sets and indicators, along with the normalization and weighting procedures that lead to the formulation of OO, aligned with political priorities. The framework supports optimization runs that provide decision-makers with a coherent range of policy options. Finally, a pilot application is presented in the urban context of the city of Patras, Greece, where the characteristics of the relevant local system are examined and realistic scenarios are created that evaluate and calibrate the maturity of specific use applications. This thesis contributes in three main aspects: First, it introduces a transparent and applicable framework that can be reproduced for different cases, combining strategic policy objectives and calculable optimization. Second, it integrates the concept of “readiness” and social acceptance into the optimization process, bypassing technically optimal but practically unfeasible solutions. Third, it offers an applicable protocol for Mediterranean urban areas with populations of approximately 200000 inhabitants, scalable to diverse climatic and institutional contexts. Future research can delve into the dynamics of urban flows, the exploitation of machine learning techniques and economies of scale, as well as participatory governance processes with digital tools. In conclusion, the thesis supports and exemplifies a realistic decision-making model for urban reuse of treated wastewater, aiming to support policies that favor a circular economy and resilience amidst climate uncertainty, accompanied by a clearly defined roadmap adapted to diverse institutional and spatial contexts.

Αυτή η διατριβή παρέχει μια ολοκληρωμένη διερεύνηση της επαναχρησιμοποίησης επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων (ΕΥΑ) σε αστικές περιοχές που χαρακτηρίζονται από μεσογειακές συνθήκες, εστιάζοντας στη βέλτιστη αειφορική διαχείρισή τους, στο πρότυπο μιας «έξυπνης πόλης». Η πολύπλευρη φύση της αξιοποίησης των ΕΥΑ, περιλαμβάνει υδρολογικούς και ποιοτικούς περιορισμούς, τεχνικο-οικονομικούς συμβιβασμούς, κοινωνική αποδοχή και θεσμική ωριμότητα. Ενώ μια πληθώρα διεθνών μελετών εμβαθύνει σε επιμέρους διαστάσεις, όπως οι συσχετίσεις ποιότητας-υγείας και οι αναλύσεις κόστους-οφέλους, ένα συνεκτικό λειτουργικό πλαίσιο που ενσωματώνει στρατηγικές προτεραιότητες πολιτικής με ποσοτικοποιημένους στόχους βελτιστοποίησης, δείκτες επίδοσης και σαφείς κατανομές χρήσης σε αστική κλίμακα, παραμένει σπάνιο. Το κρίσιμο αυτό κενό, προσπαθεί να γεφυρώσει η διατριβή αυτή. Η μεθοδολογική προσέγγιση αποτελείται από ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο λήψης αποφάσεων δύο επιπέδων. Σε στρατηγικό επίπεδο, η μελέτη κωδικοποιεί τους στόχους πολιτικής σε τέσσερα κριτήρια: Περιβάλλον (E), Κοινωνία (S), Κόστος–Χρηματοδότηση (C) και Θεσμική ωριμότητα (R). Για κάθε κριτήριο, διατυπώνονται συγκεκριμένοι, μετρήσιμοι λειτουργικοί δείκτες F, που αποτυπώνουν μεγέθη του συστήματος περιλαμβάνοντας α) περιβαλλοντικές επιπτώσεις και συμμόρφωση με τα πρότυπα ποιότητας, β) επίπεδα κοινωνικής αποδοχής και προθυμίας για συμμετοχή, γ) μια διεξοδική αξιολόγηση του επενδυτικού και λειτουργικού κόστους σε σχέση με τα οφέλη και δ) αξιολογήσεις της θεσμικής και διαχειριστικής ετοιμότητας. Οι δείκτες αυτοί κανονικοποιούνται και συναθροίζονται σε τέσσερις στρατηγικούς πυλώνες G (Περιβάλλον, Κοινωνία, Κόστος/Χρηματοδότηση, Θεσμική ωριμότητα), με τιμές 0–1. Η συνολική συνάρτηση αξίας Z, η οποία προκύπτει ως σταθμισμένο άθροισμα των πυλώνων, επιτρέπει την διαφανή σύγκριση σεναρίων πολιτικής. Σε επιχειρησιακό επίπεδο, σχεδιάζεται ένα μαθηματικό μοντέλο βελτιστοποίησης για την κατανομή των ροών των ΕΥΑ σε διάφορες αστικές εφαρμογές, τόσο σε ετήσια όσο και σε εποχιακά χρονοδιαγράμματα. Αυτό το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τους περιορισμούς που σχετίζονται με τη χωρητικότητα των υποδομών και τους περιορισμούς ποιότητας εκροών και απαιτήσεων παραληπτών, τα υδρολογικά ισοζύγια, καθώς και τη θεσμική και χωρική σκοπιμότητα. Για να ληφθεί υπόψη η αβεβαιότητα, διερευνώνται ποικίλα σενάρια (σχετικά με την προσφορά, τη ζήτηση και το κόστος), συνοδευόμενα από αναλύσεις ευαισθησίας σε βάρη δεικτών και κύριες παραμέτρους κόστους/κινδύνου. Τα πρώτα κεφάλαια θεμελιώνουν το πλαίσιο διατυπώνοντας το πρόβλημα, τα ερευνητικά ερωτήματα και τη συνεισφορά, συστηματοποιώντας την ορολογία και χαρτογραφώντας το νομοθετικό και ρυθμιστικό πλαίσιο, αναπτύσσοντας το θεωρητικό υπόβαθρο και εισάγοντας τους Στόχους Προτεραιότητας (ΣΠ) και τους Στόχους Βελτιστοποίησης (ΣΒ). Στη συνέχεια παρουσιάζονται διεθνείς καλές πρακτικές και ένα συγκριτικό σύνολο δεδομένων από δεκαπέντε πόλεις, το οποίο αξιοποιείται για παραμετροποίηση και επαλήθευση δεικτών και ετοιμότητας χρήσεων. Τα επόμενα κεφάλαια περιγράφουν την τυποποίηση μεταβλητών, συνόλων και δεικτών, μαζί με τις διαδικασίες κανονικοποίησης και στάθμισης που οδηγούν στη διαμόρφωση των ΣΒ, ευθυγραμμισμένων με τις πολιτικές προτεραιότητες. Το πλαίσιο υποστηρίζει εκτελέσεις βελτιστοποίησης που παρέχουν στους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων συνεκτικό φάσμα επιλογών πολιτικής. Τέλος, παρουσιάζεται μια πιλοτική εφαρμογή στο αστικό πλαίσιο της Πάτρας, όπου εξετάζονται τα χαρακτηριστικά του σχετικού τοπικού συστήματος και δημιουργούνται ρεαλιστικά σενάρια που αξιολογούν και βαθμονομούν την ωριμότητα συγκεκριμένων εφαρμογών χρήσης. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει σε τρεις κύριες πτυχές: Πρώτον, εισάγει ένα διαφανές και εφαρμόσιμο πλαίσιο το οποίο μπορεί να αναπαραχθεί για διαφορετικές περιπτώσεις, συνδυάζοντας στρατηγικούς στόχους πολιτικής και υπολογίσιμη βελτιστοποίηση. Δεύτερον, ενσωματώνει την έννοια της «ετοιμότητας» και της κοινωνικής αποδοχής στη διαδικασία βελτιστοποίησης, παρακάμπτοντας τεχνικά βέλτιστες αλλά πρακτικά μη εφικτές λύσεις. Τρίτον, προσφέρει ένα εφαρμόσιμο πρωτόκολλο για μεσογειακές αστικές περιοχές με πληθυσμούς περίπου 200000 κατοίκων, επεκτάσιμο σε ποικίλα κλιματικά και θεσμικά πλαίσια. Μελλοντική έρευνα μπορεί να εμβαθύνει στη δυναμική των αστικών ροών, στην αξιοποίηση τεχνικών μηχανικής μάθησης και οικονομιών κλίμακας, καθώς και σε συμμετοχικές διαδικασίες διακυβέρνησης με ψηφιακά εργαλεία. Συμπερασματικά, η διατριβή υποστηρίζει και αποτελεί παράδειγμα ενός ρεαλιστικού μοντέλου λήψης αποφάσεων για την αστική επαναχρησιμοποίηση ΕΥΑ, με στόχο την υποστήριξη πολιτικών που ευνοούν μια κυκλική οικονομία και ανθεκτικότητα εν μέσω κλιματικής αβεβαιότητας, συνοδευόμενη από έναν σαφώς καθορισμένο οδικό χάρτη προσαρμοσμένο σε ποικίλα θεσμικά και χωρικά πλαίσια.