Ανάπτυξη πληροφοριακού συστήματος για τον έλεγχο της βιωσιμότητας της ανακύκλωσης: ηλεκτρονικά απόβλητα και επίδραση στα δασικά εδάφη

Abstract

This doctoral dissertation examines the sustainability of Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) recycling in Greece. This examination is not limited to the recording of the quantities placed on the market, collected, treated or recycled. It connects the management profile of WEEEwith the quality of the available data, the forecasting of the relevant flows, the production of monitoring indicators and the environmental assessment of the field in relation to forest soils and heavy metal concentrations. The starting point of the research is the observation that, despitethe extensive international literature on WEEE, the main aspects of the field, such as theregulatory framework, the data, the methods of analysis and forecasting, the digital applications and the environmental interpretation, have usually been studied separately. The main problem lies in the absence of an integrated framework that connects data collection and processing, dataquality assessment, forecasting, final monitoring indicators and the soil dimension of environmental assessment. Within this context, the dissertation develops an organized methodology based on official Eurostat data for the period 2005-2023. The initial analysis was carried out for the 27 Member States ofthe European Union and for thirteen WEEE management functions. A central stage of themethodology was the assessment of data coverage and of the pattern of missing values, as well as the classification of the time series into suitability classes. This process led to the selection of five management functions for missing value imputation. A different approach was then applied to internal gaps and to the edges of the time series, followed by the external validation of the imputed values using related datasets. After the completion of this stage, the EU27 aggregate record was created and used as a point of comparison with the values for Greece. From the stage of Exploratory Data Analysis onwards, the study focuses on the Greek case. The focus on Greece allowed a more specific assessment of the management deficit in official collection. For this purpose, the quantities of products placed on the market and the quantities of officially collected WEEE were examined within the management window 2005-2009. This period was examined in relation to the soil reference year 2009, based on the available data fromthe LUCAS Heavy Metals database for forest soils. The analysis focused on Pb, Cd, Hg, Cr and Cu,which are of particular interest for the relationship between WEEE, heavy metals and the environmental assessment of forest soils. This comparison does not establish a causal attributionof soil concentrations to WEEE. However, it provides a controlled framework in which insufficientofficial collection is examined as a management indicator of potential pressure, while heavy metal concentrations represent the reference soil background. At the forecasting stage, different models were examined for the time horizon 2024-2030, ranging from baseline models and statistical models to Machine Learning (ML) and Deep Learning (DL) models. This time horizon is linked to the 2030 Agenda and the Sustainable Development Goals. The evaluation showed that there is no single model that is suitable for all management functions.The final selection depends on the characteristics of each time series, the form of the available data and the behavior of the models at the control points. This finding shows that forecasting in WEEE management requires a differentiated approach and not the horizontal use of one singlemodel. The central contribution of the dissertation lies in the integration of the above stages into an Information System with an orchestrated workflow. The system brings together the initial data, the suitability checks, the imputed values, the forecasts, the indicators, the comparative assessments and the visualizations in one functional environment. It also includes a page for thecartographic representation of heavy metal concentrations in the forest soils of Greece, wherethe map of Greece, the corresponding regional data and the summary statistics for the Greeksubset of forest soils are presented. In this way, the Information System does not function onlyas a technical environment for carrying out calculations, but as an integrated framework fororganising, presenting and interpreting information in environmental terms. The picture that emerges for Greece up to 2030 is not uniform. The main weakness is found incollection, as the Collection Rate remains clearly lower than the 65% target set by the EuropeanDirective of 2012. Therefore, the sustainability profile of WEEE recycling in Greece cannot bedescribed either as fully inadequate or as truly satisfactory. At the same time, the dissertationshows that the environmental dimension of WEEE cannot be limited to management indicators. The interpretation of heavy metal concentrations in forest soils requires knowledge of the soilbackground, the properties of forest soils, the mobility and bioavailability of the elements and thelimits of causal attribution. For this reason, the final environmental assessment requires scientific documentation and interpretation by a forester specialized in soil science.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τη βιωσιμότητα της ανακύκλωσης των ΑποβλήτωνΗλεκτρικού και Ηλεκτρονικού Εξοπλισμού (ΑΗΗΕ) στην Ελλάδα. Η εξέταση αυτή δεν περιορίζεταιστην αποτύπωση των ποσοτήτων που τίθενται στην αγορά, συλλέγονται, επεξεργάζονται ήανακυκλώνονται. Συνδέει τη διαχειριστική εικόνα των ΑΗΗΕ με την ποιότητα των διαθέσιμωνδεδομένων, την πρόβλεψη της εξέλιξης των σχετικών ροών, την παραγωγή δεικτών παρακολούθησης και την περιβαλλοντική αποτίμηση του πεδίου σε σχέση με τα δασικά εδάφη καιτις συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων. Αφετηρία της έρευνας αποτελεί η διαπίστωση ότι, παρά την πλούσια διεθνή βιβλιογραφία για τα ΑΗΗΕ, τα επιμέρους ζητήματα του πεδίου, όπως το θεσμικό πλαίσιο, τα δεδομένα, οι μέθοδοι ανάλυσης και πρόβλεψης, οι ψηφιακές εφαρμογές και ηπεριβαλλοντική ερμηνεία, έχουν συνήθως μελετηθεί χωριστά. Το βασικό πρόβλημα εντοπίζεταιστην απουσία ενός ενιαίου πλαισίου που να συνδέει τη λήψη και την επεξεργασία των δεδομένων,την αποτίμηση της ποιότητάς τους, την πρόβλεψη, τους τελικούς δείκτες παρακολούθησης καιτην εδαφική διάσταση της περιβαλλοντικής αξιολόγησης. Στο πλαίσιο αυτό, η διατριβή αναπτύσσει μια οργανωμένη μεθοδολογία, η οποία στηρίζεται σταεπίσημα δεδομένα της Eurostat για την περίοδο 2005-2023. Η αρχική ανάλυση πραγματοποιήθηκεγια τα 27 κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης και για δεκατρείς λειτουργίες διαχείρισης των ΑΗΗΕ. Κεντρικό στάδιο της μεθοδολογίας αποτέλεσε η αποτίμηση της κάλυψης και της μορφολογίας τωνελλειπουσών τιμών, καθώς και η ταξινόμηση των χρονοσειρών σε κλάσεις καταλληλότητας. Από αυτή τη διαδικασία προέκυψαν πέντε λειτουργίες διαχείρισης που οδηγήθηκαν στην αναπλήρωσητων ελλειπουσών τιμών. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε διαφορετική μεταχείριση για τα εσωτερικάκενά και για τα άκρα των χρονοσειρών, ενώ ακολούθησε η εξωτερική επικύρωση τωναναπληρωμένων τιμών με συναφή σύνολα δεδομένων. Μετά την ολοκλήρωση αυτού του σταδίου δημιουργήθηκε η συγκεντρωτική εγγραφή της EU27, η οποία χρησιμοποιήθηκε ως σημείο αντιπαραβολής με τις τιμές της Ελλάδας. Από το στάδιο της Διερευνητικής Ανάλυσης Δεδομένων και μετά, η μελέτη εστιάζει στην ελληνική περίπτωση. Η εστίαση στην Ελλάδα επέτρεψε την ειδικότερη αποτίμηση του διαχειριστικού ελλείμματος της επίσημης συλλογής. Για τον σκοπό αυτό, οι ποσότητες των προϊόντων που τέθηκαν στην αγοράκαι οι ποσότητες των επισήμως συλλεχθέντων ΑΗΗΕ εξετάστηκαν στο διαχειριστικό παράθυρο 2005-2009. Η περίοδος αυτή εξετάστηκε σε σχέση με το έτος εδαφικής αναφοράς 2009, βάσειτων διαθέσιμων δεδομένων της βάσης LUCAS Heavy Metals για τα δασικά εδάφη. Η ανάλυση επικεντρώθηκε στα στοιχεία Pb, Cd, Hg, Cr και Cu, τα οποία παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη σχέση ανάμεσα στα ΑΗΗΕ, τα βαρέα μέταλλα και την περιβαλλοντική αποτίμηση των δασικών εδαφών. Η αντιπαραβολή αυτή δεν θεμελιώνει αιτιώδη απόδοση των εδαφικών συγκεντρώσεων στα ΑΗΗΕ. Παρέχει, όμως, ένα ελεγχόμενο πλαίσιο μέσα στο οποίο η ανεπαρκής επίσημη συλλογή εξετάζεται ως διαχειριστικός δείκτης δυνητικής πίεσης, ενώ οι συγκεντρώσειςτων βαρέων μετάλλων αποδίδουν το εδαφικό υπόβαθρο αναφοράς. Στο στάδιο της πρόβλεψης εξετάστηκαν διαφορετικά υποδείγματα για τον χρονικό ορίζοντα 2024-2030, από βασικά υποδείγματα αναφοράς και στατιστικά μοντέλα έως υποδείγματα Μηχανικής Μάθησης (Machine Learning, ML) και Βαθιάς Μάθησης (Deep Learning, DL). Ο ορίζοντας αυτός συνδέεται με την Ατζέντα 2030 και με τους Στόχους Βιώσιμης Ανάπτυξης. Η αξιολόγηση έδειξεότι δεν υπάρχει ένα μόνο κατάλληλο μοντέλο για όλες τις λειτουργίες διαχείρισης. Η τελική επιλογήεξαρτάται από τα χαρακτηριστικά κάθε χρονοσειράς, τη μορφή των διαθέσιμων δεδομένων και τησυμπεριφορά των υποδειγμάτων στα σημεία ελέγχου. Το εύρημα αυτό δείχνει ότι η πρόβλεψηστη διαχείριση των ΑΗΗΕ απαιτεί διαφοροποιημένη προσέγγιση και όχι οριζόντια εφαρμογή ενόςενιαίου υποδείγματος. Η κεντρική συμβολή της διατριβής βρίσκεται στην ενσωμάτωση των παραπάνω σταδίων σε ένα Πληροφοριακό Σύστημα με ενορχηστρωμένη ροή εργασιών. Το σύστημα συγκεντρώνει τα αρχικάδεδομένα, τους ελέγχους καταλληλότητας, τις αναπληρωμένες τιμές, τις προβλέψεις, τους δείκτες,τις συγκριτικές αποτιμήσεις και τις οπτικοποιήσεις σε ένα ενιαίο λειτουργικό περιβάλλον. Περιλαμβάνει επίσης σελίδα χαρτογραφικής απεικόνισης των συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλωνστα δασικά εδάφη της Ελλάδας, στην οποία προβάλλονται ο ελληνικός χάρτης, τα αντίστοιχα περιφερειακά δεδομένα και τα συνοπτικά στατιστικά μεγέθη για το ελληνικό υποσύνολο των δασικών εδαφών. Με τον τρόπο αυτό, το Πληροφοριακό Σύστημα δεν λειτουργεί μόνο ως τεχνικό περιβάλλον εκτέλεσης υπολογισμών, αλλά ως ενιαίο πλαίσιο οργάνωσης, παρουσίασης και περιβαλλοντικής ανάγνωσης της πληροφορίας. Η εικόνα που προκύπτει για την Ελλάδα έως το 2030 δεν είναι ενιαία. Η βασική αδυναμία εντοπίζεται στη συλλογή, καθώς το Ποσοστό Συλλογής παραμένει αισθητά χαμηλότερο από τοόριο του 65% που έχει τεθεί από την ευρωπαϊκή Οδηγία του 2012. Κατά συνέπεια, η εικόνα της βιωσιμότητας της ανακύκλωσης των ΑΗΗΕ στην Ελλάδα δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ούτε ωςπλήρως ανεπαρκής ούτε ως πραγματικά ικανοποιητική. Παράλληλα, η διατριβή αναδεικνύει ότι η περιβαλλοντική διάσταση των ΑΗΗΕ δεν μπορεί να εξαντλείται στους διαχειριστικούς δείκτες. Η ερμηνεία των συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων στα δασικά εδάφη απαιτεί γνώση του εδαφικού υποβάθρου, των ιδιοτήτων των δασικών εδαφών, της κινητικότητας και της βιοδιαθεσιμότητας των στοιχείων, καθώς και των ορίων της αιτιώδους απόδοσης. Για τον λόγο αυτό, η τελική περιβαλλοντική αποτίμηση προϋποθέτει την επιστημονική τεκμηρίωση και ερμηνεία από δασολόγο-εδαφολόγο.