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机器学习驱动有机固废厌氧发酵产乳酸预测

收稿日期:2026-01-26 修回日期:2026-02-14 接受日期:2026-02-28

DOI:10.20078/j.eep.20260310

摘要:有机固废(OSW)通过厌氧发酵生产乳酸是实现资源高值化利用的重要途径。针对传统经验调控方法难以精确刻画多因素耦合作用,且存在发酵周期较长、参数设计不合理及性能不稳定等问题,本研究采用可解释因果机器学习(ICML)框架,对OSW厌氧发酵产乳酸... 展开+
摘要:有机固废(OSW)通过厌氧发酵生产乳酸是实现资源高值化利用的重要途径。针对传统经验调控方法难以精确刻画多因素耦合作用,且存在发酵周期较长、参数设计不合理及性能不稳定等问题,本研究采用可解释因果机器学习(ICML)框架,对OSW厌氧发酵产乳酸过程进行系统评估。通过对比不同模型,梯度提升决策树(XGBoost、XGB)在预测乳酸浓度、产率及生产速率方面表现最优。Shapley加性解释(SHAP)分析表明,水力停留时间(HRT)、总固体(TS)、挥发性固体(VS)和有机负荷(OLR)是影响乳酸性能的关键因素。LiNGAM模型进一步揭示变量间的因果路径:水力保留时间(HRT)对乳酸产率具有显著的直接效应,而OLR是提升生产速率的核心正向驱动因子;同时,底物类型与接种比能通过直接或间接路径调控发酵过程。偏依赖分析(PDP)明确了最优工艺区间:在VS>50 g/L、TS为200~250 g/L、HRT为2.5~5.0 d且OLR<18 g VS/(L·d)时,乳酸浓度可达20 g/L以上;在HRT为10~15 d、TS<25 g/L、OLR<10 g VS/(L·d)且温度为30~45℃时,乳酸产率达0.30 g/g VS以上;在有机负荷>30 g VS/(L·d)、HRT<3 d、VS>100 g/L、TS>130 g/L时,乳酸生产速率可达7 g/(L·d)以上。此外,二维偏依赖分析(2D-PDP)识别了HRT与TS的交互作用及其对性能平衡的适宜窗口。研究表明,ICML方法能有效揭示工艺参数与乳酸性能间的非线性因果关系,为OSW厌氧发酵的工艺优化与实验设计提供定量指导,助力有机废弃物资源化技术发展。 收起-

作者:

  • 郭雪强1
  • 陶雪2
  • 刘士奇1
  • 张光明1,*

作者简介

第一作者:郭雪强(2001— ),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要研究方向为水处理与资源化。E-mail:202431304022@stu.hebut.edu.cn
通讯作者:张光明(1973— ),女,湖南永州人,教授,主要研究方向为水污染控制与资源化、生物质处理与资源化技术。E-mail:2020017@hebut.edu.cn

单位

  • 1.河北工业大学 能源与环境工程学院
  • 2.茅台学院 资源与环境学院

关键字

  • 机器学习
  • 有机固废
  • 厌氧发酵
  • 乳酸生产
  • 参数优化

基金项目

国家自然科学基金资助项目(52360020)

引用格式

郭雪强, 陶雪, 刘士奇, 张光明. 机器学习驱动有机固废厌氧发酵产乳酸预测[J/OL]. 能源环境保护: 1-10[2026-03-18]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20260310.

GUO Xueqiang, TAO Xue, LIU Shiqi, ZHANG Guangming. Machine Learning-Driven Prediction of Lactic Acid Production from Anaerobic Fermentation of Organic Solid Waste[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-10[2026-03-18]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20260310.
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