畢業(yè)設(shè)計開題報告基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的污水處理微生物種類查找

1、 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué)生姓名： 學(xué) 號：所在學(xué)院： 理學(xué)院 專 業(yè)： 信息與計算科學(xué) 設(shè)計(論文)題目： 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的污水處理 微生物種類查找 指導(dǎo)教師： 2010 年 4 月 10 日開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成

2、文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)gb/t 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述（一）、本課題背景介紹怎樣有效處理和利用污水，是世界各國科學(xué)家們關(guān)注的課題。當(dāng)前國內(nèi)污水處理的辦法多是脫水掩埋，這種處理方法既會造成二次污染，又浪費(fèi)了能源。針

3、對這一問題，南京高新區(qū)成立了國際微生物能源研究所和微生物能源研發(fā)中心，利用微生物進(jìn)行污水發(fā)電。它借鑒美國硅谷綠色科技發(fā)展經(jīng)驗，通過計算機(jī)對南京的污水特點(diǎn)分析，比如，肉聯(lián)廠和皮革廠排出的污水，其菌群是不同的，在電腦的幫助下總結(jié)出南京特有的菌群，再加以利用，轉(zhuǎn)換成能源。類似的綠色能源產(chǎn)之所以目前在國際上并不多見，是因為這種產(chǎn)品需要多科技領(lǐng)域的合作、需要微生物學(xué)、化學(xué)、環(huán)保工程、計算機(jī)、生物信息學(xué)、土木工程、材料科學(xué)、電化學(xué)與生物電化學(xué)的跨學(xué)科結(jié)合。尤其對于本課題的核心部分，更是既需要計算機(jī)科學(xué)背景的研究者又需要生命科學(xué)的研究者。我們能做的就是將這兩部分緊密結(jié)合起來，通過數(shù)據(jù)挖掘來解決微生物菌種的實

4、際問題。相比較已有的污泥焚燒發(fā)電技術(shù)，這種將細(xì)菌分揀的技術(shù)不會將有害物質(zhì)以氣體的形式兩次排放，是個零碳排放的處理工藝。該項目的可見成效是顯著的，就中國來講，以日處理60萬噸的污水處理廠為例，一年運(yùn)轉(zhuǎn)電費(fèi)需要3500萬元左右，運(yùn)輸處理污泥也需要一筆可觀的費(fèi)用，如果采用微生物能源回收系統(tǒng)，一年發(fā)電量將產(chǎn)生約1500萬元收入，同時也減少20-30%的污泥量。所以，該項目的研究具有重大的現(xiàn)實和經(jīng)濟(jì)意義。（二）、相關(guān)原理介紹： 1）利用微生物進(jìn)行污水處理、發(fā)電的基本理論和方法： 如果談到發(fā)電，我們通常會想到水力、火力、核能、風(fēng)力或太陽能發(fā)電等，沒想到細(xì)菌也能發(fā)電。事實上有些菌種不僅能分解有機(jī)污染物，還可

5、以用來連續(xù)發(fā)電，而且能抵抗多種惡劣環(huán)境，可以利用它來做微生物燃料電池。細(xì)菌發(fā)電的研究開始于1910年，在美國植物學(xué)家馬克皮特首先發(fā)現(xiàn)有幾種細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電壓及傳送電流后，陸陸續(xù)續(xù)有許多科學(xué)家提出微生物燃料電池之研究報告，但是由于技術(shù)上及應(yīng)用上的限制及其它發(fā)電技術(shù)的開發(fā)而一度中斷，直到石油危機(jī)后，為積極開發(fā)永續(xù)的再生能源，因此微生物燃料燃料的研究才又受到重視。微生物燃料電池是燃料電池的一種。細(xì)菌會被培養(yǎng)在陽極上面，并且通入“燃料”，使之氧化，氧化后所生成的電子與質(zhì)子分別經(jīng)由導(dǎo)線及質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在陰極上搭配氧氣的還原作用而生成水。如此一來構(gòu)成一完整的電流通路，就可以發(fā)揮微生物燃料電池的

6、功用?；旧?，具有還原勢能的物質(zhì)，包括生物易分解的有機(jī)物等，皆可以作為微生物燃料電池的“燃料”。換句話說，如果技術(shù)發(fā)展成熟，未來可能只要收集家中的廚房的洗菜淘米水或是洗滌盥洗的廢水，就可以讓家里有用不完的電，使從馬桶沖下去的雜物成為家中照明用電的來源。2）、污水成分和微生物功能特征的簡介：城市污水是生活污水和工業(yè)廢水的混合物，生活污水主要指人們生活中排放的污水，主要包括糞便水、洗浴水、沖洗水和地表水，其特點(diǎn)是易用生物法處理。污水處理的前提條件是必須正確掌握污水的水質(zhì)，而污水的組成成分極其復(fù)雜，難以用單一指標(biāo)來表示其性質(zhì)。在眾多的水質(zhì)指標(biāo)，按污水中的雜質(zhì)形態(tài)大小可分為懸浮物質(zhì)和溶解物質(zhì)兩大類，每

7、類按其化學(xué)性質(zhì)又可分為有機(jī)性物質(zhì)和無機(jī)性物質(zhì)；按消耗水中溶解氧的有機(jī)污染物綜合間接指標(biāo)有生物化學(xué)需氧量（bod）、化學(xué)需氧量(cod)等。這些是應(yīng)用最多的污水水質(zhì)指標(biāo)。其中懸浮物質(zhì)是常用污染指標(biāo)，是污水處理的基本對象，與污泥生成量有直接的關(guān)系。通常在生活污水中不含有毒性物質(zhì)。當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)廢水通過下水道進(jìn)入處理廠時，往往含有有毒物質(zhì)，影響處理效果以及污泥處置，因此必須加強(qiáng)管理和監(jiān)測。微生物的種類繁多且豐富，功能也多種多樣。肉眼看不見，一般要借助顯微鏡才能看得見，用于污水處理的微生物有細(xì)菌、真菌、原生物、后生物和藻類。8微生物的生物化學(xué)作用分解廢水中的有機(jī)物和某些無機(jī)毒物，轉(zhuǎn)化為無機(jī)物或者無毒物，同

8、時產(chǎn)生能量?；罴?xì)菌細(xì)胞能制造分泌一種生物催化劑酶，酶的基本成分是蛋白質(zhì)，是具有高度催化專一性的特殊蛋白質(zhì)。不同的細(xì)菌分泌不同的酶。3）生物數(shù)據(jù)整合與挖掘相關(guān)技術(shù)簡介： 生物數(shù)據(jù)是一種非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大、種類繁多、數(shù)據(jù)操作類型復(fù)雜等是其主要的特征。其表達(dá)和存儲方式是生物數(shù)據(jù)訪問和處理的關(guān)鍵。目前生物數(shù)據(jù)的存儲方式有兩種：一種是采用文本文件方式存儲；另一種是采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫、xml數(shù)據(jù)庫或者面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫等存儲方式，但是由于沒有合適的數(shù)據(jù)模型或數(shù)據(jù)類型，生物數(shù)據(jù)在這種存儲方式中也只能用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（database management system,dbms）中提供的文本字段來存儲。能夠快

9、速有效地從浩瀚的數(shù)據(jù)中獲得所需的數(shù)據(jù)是一個挑戰(zhàn)性的問題，數(shù)據(jù)整合技術(shù)是解決該問題的一種方法。我們知道所有能輸入到計算機(jī)中的東西都成為“數(shù)據(jù)”，數(shù)據(jù)資源的數(shù)據(jù)組織形式既有專用的格式資源也可以用通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來存儲，例如oracle,db2,sql sever等。本課題中我們采用的是sql sever數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)整合的本質(zhì)是構(gòu)建一個用戶數(shù)據(jù)視圖，它與實際數(shù)據(jù)源是相對應(yīng)的。4）、微生物數(shù)據(jù)挖掘算法簡介：數(shù)據(jù)挖掘是從大量數(shù)據(jù)中尋找其規(guī)律的技術(shù)，是目前最強(qiáng)有力的計算機(jī)數(shù)據(jù)分析技術(shù)之一。數(shù)據(jù)挖掘工作輸入的是大量數(shù)據(jù)，產(chǎn)出的是用戶認(rèn)為有用的數(shù)據(jù)規(guī)律。目前針對一般數(shù)據(jù)源的挖掘主要有序列數(shù)據(jù)挖掘、流數(shù)據(jù)挖掘

10、、文本數(shù)據(jù)挖掘、圖像數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘、空間數(shù)據(jù)挖掘等。基于文本的數(shù)據(jù)挖掘介紹：文本挖掘的一般處理過程是，首先對待處理的文本進(jìn)行特征提取、分詞、降維等預(yù)處理，將文本用結(jié)構(gòu)化的形式描述；然后根據(jù)應(yīng)用需求，確定所要使用的技術(shù)。對文本進(jìn)行特定的分析，如文本檢索、文本分類或聚類、自動摘要等；最后將所得到的知識以可視化的形式呈現(xiàn)給用戶。目前在數(shù)據(jù)挖掘方面的算法較多，最經(jīng)典的算法當(dāng)屬由r.agrawal和r.srikant在1994年提出的apriori算法。但該算法在實際應(yīng)用中還存在不足之處。后人提出了許多優(yōu)化算法用以改進(jìn)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等人提出的基于數(shù)據(jù)分割的算法；1996年toivonen提出的基于采樣的算法；另外還有brin等人提出的動態(tài)項集計數(shù)算法以及我國學(xué)者近年來提出的基于棧變換的算法等。然而，通過查找文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)有一種基于事務(wù)矩陣的關(guān)聯(lián)規(guī)則快速挖掘算法，通過只掃描一次事務(wù)數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)庫構(gòu)造成只包含0和1的布爾矩陣，把對數(shù)據(jù)庫事務(wù)中項的掃描轉(zhuǎn)為對矩陣內(nèi)0和1的掃描，節(jié)約了存儲設(shè)備i/o時間，并且通過對布爾矩陣的直接運(yùn)算，達(dá)到查找頻繁項集的目的，大大提高了挖掘的效率。本文就將采用事務(wù)矩陣算法,以達(dá)到有效簡化算法復(fù)雜性的問題。（三）、產(chǎn)甲烷的菌種

12、和我們要做的工作污水處理的好壞與其中微生物的種類、數(shù)量及其代謝活力有關(guān)，有必要了解污水微生物的營養(yǎng)代謝、明確組成污水的微生物種類及其對環(huán)境條件的要求。不產(chǎn)甲烷菌包括發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和耗氫產(chǎn)乙酸菌三類。能夠產(chǎn)甲烷的細(xì)菌主要有4類:甲烷桿菌屬、八疊球菌屬、甲烷球菌屬和甲烷螺菌屬。9我們要做的工作就是通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，盡可能多的找出產(chǎn)甲烷的菌種，以完善菌種數(shù)據(jù)庫。并以得到的數(shù)據(jù)庫為根據(jù)，使用矩陣規(guī)則算法來查找與已知產(chǎn)甲烷高效菌種具有相似特性的菌種。（四）、研究的條件和可能存在的問題因為對于生物特性知識的不甚了解，在查找過程中數(shù)據(jù)的詳實程度需要進(jìn)一步和生物界專業(yè)人士核實。另外因數(shù)據(jù)資源有限，分

13、析結(jié)果會與實際情況有誤差。參考文獻(xiàn)1 屠康，喻輝等.go功能類與基因差異表達(dá)的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法.生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展雜志.2004.2 李振高，駱永明，滕應(yīng).土壤與環(huán)境微生物研究法.北京：科學(xué)出版社.2008.3 李軍，楊秀山，彭永臻.微生物與水處理工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2002.4 胡紀(jì)萃.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù).北京：中國建筑工業(yè)出版社.2002.5 周宇光.中國菌種目錄.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007.6 朱揚(yáng)勇，熊赟.生物數(shù)據(jù)整合與挖掘.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社.2009.7 陳國華.環(huán)境污染治理方法原理與工藝.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2003.8 趙睿新.環(huán)境污染化學(xué).北京：化

14、學(xué)工業(yè)出版社.2004.9 張毅馳，朱巧明.改進(jìn)的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法及其應(yīng)用.常熟理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版).200710 惠明濱，張鳳鳴.一種基于棧變換的高效關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法.計算機(jī)研究與發(fā)展.2003.11 胡可云等.數(shù)據(jù)挖掘理論與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社；北京交通大學(xué)出版社.2008.12 朱玉全等.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù).南京：東南大學(xué)出版社.2006.13 陳安等.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社.2006 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：本課題希望在某一菌種數(shù)據(jù)庫中查找出具有高效產(chǎn)甲烷特性的菌種，以便在實際生產(chǎn)中加以應(yīng)用。所以，首先需要做到工作是利用各種生物資源，包括數(shù)據(jù)庫、各大生物網(wǎng)站和各個專業(yè)電子期刊，甚至包括南京工業(yè)大學(xué)的圖書館資源，來初步獲得所需的