Predicting effluent quality parameters for wastewater treatment plant: A machine learning-based methodology

支持向量机 污水处理 多层感知器 预测建模 随机森林 废水 流出物 机器学习 感知器 质量(理念) 人工智能 工程类 计算机科学 环境工程 数据挖掘 人工神经网络 哲学 认识论
作者
João Vitor Rios Fuck,Maria Alice Prado Cechinel,Juliana Neves,Rodrigo Campos de Andrade,Ricardo Tristão,Nicolas Spogis,Humberto Gracher Riella,Cíntia Soares,Natan Padoin
出处
期刊:Chemosphere [Elsevier BV]
卷期号:352: 141472-141472 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.chemosphere.2024.141472
摘要

Wastewater Treatment Plants (WWTPs) present complex biochemical processes of high variability and difficult prediction. This study presents an innovative approach using Machine Learning (ML) models to predict wastewater quality parameters. In particular, the models are applied to datasets from both a simulated wastewater treatment plant (WWTP), using DHI WEST software (WEST WWTP), and a real-world WWTP database from Santa Catarina Brewery AMBEV, located in Lages/SC - Brazil (AMBEV WWTP). A distinctive aspect is the evaluation of predictive performance in continuous data scenarios and the impact of changes in WWTP operations on predictive model performance, including changes in plant layout. For both plants, three different scenarios were addressed, and the quality of predictions by random forest (RF), support vector machine (SVM), and multilayer perceptron (MLP) models were evaluated. The prediction quality by the MLP model reached an R2 of 0.72 for TN prediction in the WEST WWTP output, and the RF model better adapted to the real data of the AMBEV WWTP, despite the significant discrepancy observed between the real and the predicted data. Techniques such as Partial Dependence Plots (PDP) and Permutation Importance (PI) were used to assess the importance of features, particularly in the simulated WEST tool scenario, showing a strong correlation of prediction results with influent parameters related to nitrogen content. The results of this study highlight the importance of collecting and storing high-quality data and the need for information on changes in WWTP operation for predictive model performance. These contributions advance the understanding of predictive modeling for wastewater quality and provide valuable insights for future practice in wastewater treatment.
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