污泥结合EPS溶解增强CH4生物转化和电化学无氧膜生物反应器中的膜污染缓解:从连续运行和可解释的机器学习算法中获得的见解
Chengxin Niu1, Zhongyi Zhang1, Teng Cai1
1Shanghai Key Lab for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration, School of Ecological and Environmental Sciences, East China Normal University, 500 Dongchuan Rd, Shanghai 200241, PR China.
Water research
|August 14, 2024
概括
这项研究表明,在电化学无氧膜生物反应器 (EC-AnMBR) 中溶解结合的细胞外聚合物 (EPS) 会显著增加甲的产生并减少膜污染. 机器学习确定了特定的EPS组件作为影响这些改进的关键因素.
科学领域:
- 环境科学与工程环境科学与工程
- 生物技术是生物技术.
- 化学工程是化学工程的重要组成部分.
背景情况:
- 结合的细胞外聚合物物 (EPS) 是导致膜污染和过系统效率降低的主要原因,这是由于它们的粘合和凝形成特性.
- 了解结合EPS的作用对于优化废水处理过程至关重要,例如厌氧膜生物反应器 (AnMBR).
研究的目的:
- 研究溶解结合EPS对甲生物转化和膜污染缓解在新型电化学无氧膜生物反应器 (EC-AnMBR) 的影响.
- 分析生物电化学过程和EPS特征对微生物活动和整体系统性能的影响.
主要方法:
- 一个定制EC-AnMBR的150天连续运行.
- 应用不同的电压来诱导绑定的EPS溶解.
- 污染层的形态和光标记分析.
- 利用随机森林和SHAP (Shapley添加式解释) 机器学习模型来分析EPS对甲生产率和跨膜压力 (TMP) 的贡献.
主要成果:
- EC-AnMBR实现了TMP<4.0kPa和>98%的COD,蛋白质和多糖体去除的特殊性能.
- 由于结合EPS溶解,甲生产率在0.8V下增加了107.6% (高达38.0mL/L/d).
- 机器学习模型分别将S-EPSPS和S-EPSPN确定为甲生产率和污染的关键因素.
- 生物电化学调节增强了微生物的电活性,促进了功能性微生物的丰富,并改善了直接的物种间电子转移.
结论:
- 在EC-AnMBR中溶解结合的EPS是一种有效的策略,可以增强甲生产并减轻膜污染.
- 该研究提供了对EPS组成,微生物行为和系统性能之间的复杂相互作用的关键见解.
- 可解释的机器学习模型为理解和优化AnMBR流程提供了强大的工具.
