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Applying machine learning to anaerobic fermentation of waste sludge using two targeted modeling strategies

工业发酵 可解释性 厌氧消化 发酵 无氧运动 生产(经济) 生化工程 工程类 工艺工程 机器学习 生物技术 人工智能 计算机科学 化学 食品科学 生物 生理学 甲烷 宏观经济学 有机化学 经济
作者
Shixin Zhai,Kai Chen,Lisha Yang,Zhuo Li,Tong Yu,Long Chen,Hongtao Zhu
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier]
卷期号:916: 170232-170232 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2024.170232
摘要

Anaerobic fermentation is an effective method to harvest volatile fatty acids (VFAs) from waste activated sludge (WAS). Accurately predicting and optimizing VFAs production is crucial for anaerobic fermentation engineering. In this study, we developed machine learning models using two innovative strategies to precisely predict the daily yield of VFAs in a laboratory anaerobic fermenter. Strategy-1 focuses on model interpretability to comprehend the influence of variables of interest on VFAs production, while Strategy-2 takes into account the cost of variable acquisition, making it more suitable for practical applications in prediction and optimization. The results showed that Support Vector Regression emerged as the most effective model in this study, with testing R2 values of 0.949 and 0.939 for the two strategies, respectively. We conducted feature importance analysis to identify the critical factors that influence VFAs production. Detailed explanations were provided using partial dependence plots and Shepley Additive Explanations analyses. To optimize VFAs production, we integrated the developed model with optimization algorithms, resulting in a maximum yield of 2997.282 mg/L. This value was 45.2 % higher than the average VFAs level in the operated fermenter. Our study offers valuable insights for predicting and optimizing VFAs production in sludge anaerobic fermentation, and it facilitates engineering practice in VFAs harvesting from WAS.
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