Multimodal Learning-Assisted Identification of Effluent Water Quality and Toxicity in Wastewater Treatment Plants

流出物 废水 鉴定(生物学) 水质 污水处理 计算机科学 环境科学 过程(计算) 质量(理念) 持续性 机器学习 人工智能 生化工程 环境工程 工程类 生物 生态学 认识论 操作系统 哲学
作者
Jie Hu,Ran Yin,Yao Pan,Jinfeng Wang,Hongqiang Ren
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (27): 13857-13869
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c04143
摘要

Effluent of wastewater treatment plants (WWTPs) poses significant ecological risks due to potential biological toxicity, demanding effective monitoring and assessment of water quality and toxicity. However, the complexity of the wastewater treatment processes, coupled with numerous control parameters and influencing factors, makes intelligent assessment and monitoring challenging. Traditional data mining and machine learning (ML) approaches often overlook partial multimodal factors such as applied treatment process technologies, leading to suboptimal predictions. To address this, this study proposed a multimodal learning (MML)-based framework for predicting effluent water quality and toxicity in WWTPs. Representation fusion and decision fusion strategies were adopted to optimize the MML models' performance. Additionally, a novel 3C-Encoding strategy was proposed to tackle the challenges of encoding process information. The results demonstrated that MML models achieved significant improvements over traditional methods (R2 increase ranging from 0.057 to 0.234). The final MML models exhibited remarkable performance with an average R2 of 0.874 for water quality and an R2 of 0.904 for toxicity. This study provides a novel MML-based approach to leveraging diverse data modalities, substantially enhancing prediction accuracy and informed decision-making. It has the potential to facilitate advancements in intelligent process control and optimization while promoting environmental sustainability in WWTPs.
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