Optimization of a Novel Engineered Ecosystem Integrating Carbon, Nitrogen, Phosphorus, and Sulfur Biotransformation for Saline Wastewater Treatment Using an Interpretable Machine Learning Approach

生物转化 污水处理 硫黄 废水 氮气 生态系统 环境化学 环境科学 碳纤维 化学 废物管理 生化工程 环境工程 计算机科学 生态学 工程类 生物 有机化学 算法 复合数
作者
Jinqi Jiang,Xiang Xiang,Qinhao Zhou,Lichang Zhou,Xinqi Bi,Samir Kumar Khanal,Zongping Wang,Guanghao Chen,Gang Guo
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (29): 12989-12999 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c03160
摘要

The denitrifying sulfur (S) conversion-associated enhanced biological phosphorus removal (DS-EBPR) process for treating saline wastewater is characterized by its unique microbial ecology that integrates carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), and S biotransformation. However, operational instability arises due to the numerous parameters and intricates bacterial interactions. This study introduces a two-stage interpretable machine learning approach to predict S conversion-driven P removal efficiency and optimize DS-EBPR process. Stage one utilized the XGBoost regression model, achieving an R2 value of 0.948 for predicting sulfate reduction (SR) intensity from anaerobic parameters with feature engineering. Stage two involved the CatBoost classification and regression model integrating anoxic parameters with the predicted SR values for predicting P removal, reaching an accuracy of 94% and an R2 value of 0.93, respectively. This study identified key environmental factors, including SR intensity (20–45 mg S/L), influent P concentration (<9.0 mg P/L), mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS)/mixed liquor suspended solids (MLSS) ratio (0.55–0.72), influent C/S ratio (0.5–1.0), anoxic reaction time (5–6 h), and MLSS concentration (>6.50 g/L). A user-friendly graphic interface was developed to facilitate easier optimization and control. This approach streamlines the determination of optimal conditions for enhancing P removal in the DS-EBPR process.
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