毕业设计开题报告基于关联规则的污水处理微生物种类查找.doc

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1、 毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 学 号：所在学院： 理学院 专 业： 信息与计算科学 设计(论文)题目： 基于关联规则的污水处理 微生物种类查找 指导教师： 2010 年 4 月 10 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成

2、文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述（一）、本课题背景介绍怎样有效处理和利用污水，是世界各国科学家们关注的课题。当前国内污水处理的办法多是脱水掩埋，这种处理方法既会造成二次污染，又浪费了能源。针

3、对这一问题，南京高新区成立了国际微生物能源研究所和微生物能源研发中心，利用微生物进行污水发电。它借鉴美国硅谷绿色科技发展经验，通过计算机对南京的污水特点分析，比如，肉联厂和皮革厂排出的污水，其菌群是不同的，在电脑的帮助下总结出南京特有的菌群，再加以利用，转换成能源。类似的绿色能源产之所以目前在国际上并不多见，是因为这种产品需要多科技领域的合作、需要微生物学、化学、环保工程、计算机、生物信息学、土木工程、材料科学、电化学与生物电化学的跨学科结合。尤其对于本课题的核心部分，更是既需要计算机科学背景的研究者又需要生命科学的研究者。我们能做的就是将这两部分紧密结合起来，通过数据挖掘来解决微生物菌种的实

4、际问题。相比较已有的污泥焚烧发电技术，这种将细菌分拣的技术不会将有害物质以气体的形式两次排放，是个零碳排放的处理工艺。该项目的可见成效是显着的，就中国来讲，以日处理60万吨的污水处理厂为例，一年运转电费需要3500万元左右，运输处理污泥也需要一笔可观的费用，如果采用微生物能源回收系统，一年发电量将产生约1500万元收入，同时也减少20-30%的污泥量。所以，该项目的研究具有重大的现实和经济意义。（二）、相关原理介绍： 1）利用微生物进行污水处理、发电的基本理论和方法： 如果谈到发电，我们通常会想到水力、火力、核能、风力或太阳能发电等，没想到细菌也能发电。事实上有些菌种不仅能分解有机污染物，还可

5、以用来连续发电，而且能抵抗多种恶劣环境，可以利用它来做微生物燃料电池。细菌发电的研究开始于1910年，在美国植物学家马克皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电压及传送电流后，陆陆续续有许多科学家提出微生物燃料电池之研究报告，但是由于技术上及应用上的限制及其它发电技术的开发而一度中断，直到石油危机后，为积极开发永续的再生能源，因此微生物燃料燃料的研究才又受到重视。微生物燃料电池是燃料电池的一种。细菌会被培养在阳极上面，并且通入“燃料”，使之氧化，氧化后所生成的电子与质子分别经由导线及质子交换膜到达阴极，在阴极上搭配氧气的还原作用而生成水。如此一来构成一完整的电流通路，就可以发挥微生物燃料电池的

6、功用。基本上，具有还原势能的物质，包括生物易分解的有机物等，皆可以作为微生物燃料电池的“燃料”。换句话说，如果技术发展成熟，未来可能只要收集家中的厨房的洗菜淘米水或是洗涤盥洗的废水，就可以让家里有用不完的电，使从马桶冲下去的杂物成为家中照明用电的来源。2）、污水成分和微生物功能特征的简介：城市污水是生活污水和工业废水的混合物，生活污水主要指人们生活中排放的污水，主要包括粪便水、洗浴水、冲洗水和地表水，其特点是易用生物法处理。污水处理的前提条件是必须正确掌握污水的水质，而污水的组成成分极其复杂，难以用单一指标来表示其性质。在众多的水质指标，按污水中的杂质形态大小可分为悬浮物质和溶解物质两大类，每

7、类按其化学性质又可分为有机性物质和无机性物质；按消耗水中溶解氧的有机污染物综合间接指标有生物化学需氧量（BOD）、化学需氧量(COD)等。这些是应用最多的污水水质指标。其中悬浮物质是常用污染指标，是污水处理的基本对象，与污泥生成量有直接的关系。通常在生活污水中不含有毒性物质。当工业生产废水通过下水道进入处理厂时，往往含有有毒物质，影响处理效果以及污泥处置，因此必须加强管理和监测。微生物的种类繁多且丰富，功能也多种多样。肉眼看不见，一般要借助显微镜才能看得见，用于污水处理的微生物有细菌、真菌、原生物、后生物和藻类。8微生物的生物化学作用分解废水中的有机物和某些无机毒物，转化为无机物或者无毒物，同

8、时产生能量。活细菌细胞能制造分泌一种生物催化剂酶，酶的基本成分是蛋白质，是具有高度催化专一性的特殊蛋白质。不同的细菌分泌不同的酶。3）生物数据整合与挖掘相关技术简介： 生物数据是一种非结构化数据，数据量巨大、种类繁多、数据操作类型复杂等是其主要的特征。其表达和存储方式是生物数据访问和处理的关键。目前生物数据的存储方式有两种：一种是采用文本文件方式存储；另一种是采用关系数据库、XML数据库或者面向对象数据库等存储方式，但是由于没有合适的数据模型或数据类型，生物数据在这种存储方式中也只能用数据库管理系统（Database Management System,DBMS）中提供的文本字段来存储。能够快

9、速有效地从浩瀚的数据中获得所需的数据是一个挑战性的问题，数据整合技术是解决该问题的一种方法。我们知道所有能输入到计算机中的东西都成为“数据”，数据资源的数据组织形式既有专用的格式资源也可以用通用数据库管理系统来存储，例如ORACLE,DB2,SQL SEVER等。本课题中我们采用的是SQL SEVER数据库。数据整合的本质是构建一个用户数据视图，它与实际数据源是相对应的。4）、微生物数据挖掘算法简介：数据挖掘是从大量数据中寻找其规律的技术，是目前最强有力的计算机数据分析技术之一。数据挖掘工作输入的是大量数据，产出的是用户认为有用的数据规律。目前针对一般数据源的挖掘主要有序列数据挖掘、流数据挖掘

10、、文本数据挖掘、图像数据挖掘、结构数据挖掘、空间数据挖掘等。基于文本的数据挖掘介绍：文本挖掘的一般处理过程是，首先对待处理的文本进行特征提取、分词、降维等预处理，将文本用结构化的形式描述；然后根据应用需求，确定所要使用的技术。对文本进行特定的分析，如文本检索、文本分类或聚类、自动摘要等；最后将所得到的知识以可视化的形式呈现给用户。目前在数据挖掘方面的算法较多，最经典的算法当属由R.Agrawal和R.Srikant在1994年提出的Apriori算法。但该算法在实际应用中还存在不足之处。后人提出了许多优化算法用以改进Apriori的性能:1995年Park等人提出的基于hash的算法Dynam

11、icHashing and Pruning（DHP）算法；同年Savasere等人提出的基于数据分割的算法；1996年Toivonen提出的基于采样的算法；另外还有Brin等人提出的动态项集计数算法以及我国学者近年来提出的基于栈变换的算法等。然而，通过查找文献发现有一种基于事务矩阵的关联规则快速挖掘算法，通过只扫描一次事务数据库，把数据库构造成只包含0和1的布尔矩阵，把对数据库事务中项的扫描转为对矩阵内0和1的扫描，节约了存储设备I/O时间，并且通过对布尔矩阵的直接运算，达到查找频繁项集的目的，大大提高了挖掘的效率。本文就将采用事务矩阵算法,以达到有效简化算法复杂性的问题。（三）、产甲烷的菌种

12、和我们要做的工作污水处理的好坏与其中微生物的种类、数量及其代谢活力有关，有必要了解污水微生物的营养代谢、明确组成污水的微生物种类及其对环境条件的要求。不产甲烷菌包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌三类。能够产甲烷的细菌主要有4类:甲烷杆菌属、八叠球菌属、甲烷球菌属和甲烷螺菌属。9我们要做的工作就是通过数据挖掘技术，尽可能多的找出产甲烷的菌种，以完善菌种数据库。并以得到的数据库为根据，使用矩阵规则算法来查找与已知产甲烷高效菌种具有相似特性的菌种。（四）、研究的条件和可能存在的问题因为对于生物特性知识的不甚了解，在查找过程中数据的详实程度需要进一步和生物界专业人士核实。另外因数据资源有限，分

13、析结果会与实际情况有误差。参考文献1 屠康，喻辉等.GO功能类与基因差异表达的关联规则挖掘算法.生物化学与生物物理进展杂志.2004.2 李振高，骆永明，滕应.土壤与环境微生物研究法.北京：科学出版社.2008.3 李军，杨秀山，彭永臻.微生物与水处理工程.北京：化学工业出版社.2002.4 胡纪萃.废水厌氧生物处理理论与技术.北京：中国建筑工业出版社.2002.5 周宇光.中国菌种目录.北京：化学工业出版社.2007.6 朱扬勇，熊赟.生物数据整合与挖掘.上海：复旦大学出版社.2009.7 陈国华.环境污染治理方法原理与工艺.北京：化学工业出版社.2003.8 赵睿新.环境污染化学.北京：化

14、学工业出版社.2004.9 张毅驰，朱巧明.改进的关联规则算法及其应用.常熟理工学院学报(自然科学版).200710 惠明滨，张凤鸣.一种基于栈变换的高效关联规则挖掘算法.计算机研究与发展.2003.11 胡可云等.数据挖掘理论与应用.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社.2008.12 朱玉全等.数据挖掘技术.南京：东南大学出版社.2006.13 陈安等.数据挖掘技术及应用.北京：科学出版社.2006 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题希望在某一菌种数据库中查找出具有高效产甲烷特性的菌种，以便在实际生产中加以应用。所以，首先需要做到工作是利用各种生物资源，包括数据库、各大生物网站和各个专业电子期刊，甚至包括南京工业大学的图书馆资源，来初步获得所需的可产甲烷的菌种信息。现已知由台湾科学家发现的某一菌株具有高效产甲烷的特性，我们需要利用数据挖掘中的关联算法，通过一些生物特性的比照，来找出和其性质相似的菌种。在一定条件下，推测出其是否为目标菌种，并由此来断定可否将之投入生产。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题难度适中。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日