Deciphering and Mitigating of Dynamic Greenhouse Gas Emission in Urban Drainage Systems with Knowledge-Infused Graph Neural Network

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作者
Wan-Xin Yin,Kehua Chen,Jia-Qiang Lv,Jia-Ji Chen,Shuai Liu,Yunpeng Song,Yiwei Zhao,Fang Huang,Hongxu Bao,Hong‐Cheng Wang,Ai-Jie Wang,Nan-Qi Ren
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (7): 3592-3602 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c10644
摘要

Deciphering and mitigating dynamic greenhouse gas (GHG) emissions under environmental fluctuation in urban drainage systems (UDGSs) is challenging due to the absence of a high-prediction model that accurately quantifies the contributions of biological production pathways. Here we infused biological production pathways into the graph neural network (GNN) model architecture, developing ecological knowledge-infused GNN (EcoGNN-GHG) models to evaluate methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) production in sewers and wastewater treatment plants (WWTPs). The EcoGNN-GHG model demonstrated high predictive accuracy, achieving an R2 of 0.96 for CH4 in sewers and 0.82 for N2O in WWTPs. Model interpretability analysis revealed fluctuations in contributions of the anaerobic hydrolysis acidification pathway to CH4 production and the nitrification-denitrification pathway to N2O production under dynamic environmental conditions, guiding the formulation of a precise dissolved oxygen control strategy targeting critical water quality parameters (acetate for CH4 production and nitrite for N2O production). Implementing this strategy to control DO thereby regulating biological production pathway contributions, CH4 production in sewers and N2O production in WWTPs were reduced by 35.50% and 29.94%, respectively. Our findings offer a robust, accurate method for predicting GHG emissions, quantifying production pathway contributions, and developing effective control strategies in UDGSs.
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