從混凝工藝的實踐環節看給水排水工程應用型人才創新能力的培養

曹長春，曾鴻鵠，林 華

(桂林理工大學環境科學與工程學院給水排水工程室，廣西桂林541004)

給水排水工程專業作為給水排水行業高級人才培養和科技發展的重要支撐，伴隨著國家建設與給水排水行業的發展，專業的內涵逐步豐富，外延不斷拓展，專業的研究對象已從城市基礎設施拓展為水的社會循環。專業面臨的主要任務已從“以水量為主”轉變為“水質水量并重，以水質為核心”。專業基礎由力學轉變為化學、生物學和水力學，并在大量融入現代生物工程、化學工程、材料工程等領域最新成果基礎上，不斷向高新技術方向發展，形成了具有自身特點的學科理論體系和工程技術體系。城市化與工業化的快速發展和環境保護、可持續發展戰略的實施對給水排水工程專業提出了新的挑戰，以水的良性社會循環為目標的給水排水行業正在迅速發展。及時跟蹤給水排水行業的發展，不斷完善培養方案與課程體系，培養適應社會需求的高級專業人才，作為給水排水行業的人才培養方案，專業教育必須加強與充實相關基礎課程的教學內容，加快專業基礎和專業課程教學內容的更新與整合，開拓適應行業發展的新課程;突出創新型人才培養，重視實踐教學環節，強化實踐教學環節在人才培養中的作用。本文以水質工程學中混凝工藝為例，來說明這些環節的聯系與關聯對培養學生創新能力的實現是非常有用的。

一 混凝工藝的理論與不同層次實踐環節

1.混凝工藝的理論要點

原水中通常存在大量的膠體顆粒，是水體混濁的一個重要原因，膠體顆?？孔匀怀恋硎遣荒艹サ模z體顆粒之間的靜電斥力，膠粒的布朗運動及膠粒表面的水化作用，使得膠粒具有分散穩定性，三者中以靜電斥力的影響最大。向水中投加混凝劑能提供大量的正離子，壓縮膠團的擴散層，使ξ電位降低，靜電斥力減小，此時布朗運動由穩定因素轉變成不穩定因素，也有利于膠粒的吸附凝聚。水化膜中的水分子與膠粒有固定聯系，具有彈性和較高的粘度，把這些水分子排擠除去需要克服特殊的阻力，阻礙膠粒的直接接觸。有些水化膜的存在決定于雙電層狀態，投加混凝劑降低ξ電位，有可能使水化作用減弱?；炷齽┧夂笮纬傻母叻肿游镔|或直接加入水中的高分子物質一般具有鏈狀結構，在膠粒與膠粒之間起吸附架橋作用，即使ξ電位沒有降低或降低不多，膠粒不能相互接觸，通過高分子鏈狀物吸附膠粒，也能形成絮凝體。消除或降低膠體顆粒穩定因素的過程叫做脫穩，脫穩后的膠粒，在一定的水力條件下，形成較大的絮凝體，俗稱礬花，直徑較大且密實的礬花容易沉淀，以上這些要點是混凝工藝的理論知識點。光課堂上講這些學生們理解和掌握起來是有困難的，比較抽象。教學計劃中，配有相應的理論課后實驗—混凝實驗。

2.混凝工藝的課程實驗

混凝工藝課程實驗的教學內容:確定實驗膠體顆粒水樣的最佳投藥量、觀察絮凝體(礬花)的形成過程及混凝沉淀效果?；疽笫?通過觀察絮凝體(礬花)的形成過程及混凝沉淀效果，加深對混凝原理的理解。通過本實驗，確定原水樣的混凝劑最佳投藥量、最佳pH值等最佳混凝條件。目的是通過該實驗，加深混凝機理和脫穩方式的理解，同時對原水中的濁度、酸堿度、混凝劑等也有一個感性認識，但這是經典的實驗教學內容，對學生來說，經過這個實驗過程后對所學的混凝工藝有了一個體會，教改之前的實踐環節就到此為止了，沒有進一步的深化。

3.混凝工藝的綜合性實驗

混凝工藝綜合性實驗是教材大綱規定內容的延伸，實驗來自于給水處理工程實際，地表水源中的腐殖酸在南方地區普遍存在，傳統混凝工藝主要據天然水體中的二氧化硅膠體和高嶺土顆粒的存在而設計，與實際的給水處理條件相距甚遠，本實驗針對南方地表水源中普遍存在的腐殖酸組分，通過腐殖酸與二氧化硅、高嶺土膠體相互作用，再與混凝劑相互作用，這個接近真實的條件下，讓學生們再對工藝過程的運行參數進行試驗，結果沒有事前設定，據實驗后得出。并要求學生們自已課外去提取源水中的腐殖酸，然后洗脫濃集，經紅外掃描和紫外分光光度計、總有機碳分析后，測其不同的官能團的結構和含量，其高嶺土、二氧化硅混合后，對混凝劑的投加量和絮凝效果有顯著的影響，實驗建立在飲用水處理的微污染現實基礎上，同時又對傳統的混凝實驗有新的內容，完成其工作有實用意義。飲用水中天然有機物——腐殖酸的存在形式、親水憎水性能、電性、分子大小等性能對混凝沉淀有重要影響，尤其是其與高嶺土和二氧化硅作用后的性質復雜化，最近十多年來，國內外水處理界對其研究非常重視，桂林漓江地處南方，源水中腐殖酸含量比較豐富，研究其存在形式及性能對混凝工藝效能的影響，既有理論意義，同時也是與實際應用相結合，對給水處理工藝的改進有指導作用。顯然，本綜合實驗是在課程規定實驗內容基礎上的延伸，但這個延伸并不是不可想象，而是來自于實際，所碰到的問題經學生努力后是可以解決的，但要求學生們必須看這方面的文獻資料，從專業期刊上可以獲取但教材上沒有提到的知識，再把它變成自已的體驗和收獲。學生經過這個環節后，對理論學習、理論與實際相結合等空洞的東西有了體會。

4.混凝工藝的創新計劃訓練

在混凝工藝基本實驗和綜合性實驗的基礎上，設計了科技創新訓練計劃項目——水體腐殖酸和重金屬鎘絡合作用對混凝工藝的影響。作為重金屬離子，在水溶液中采用常規的沉淀工藝是難以去除的，廣西是有色金屬資源大省，在采礦、選礦、冶煉過程中，重金屬對水源的污染是常見的狀況。結合廣西飲用水源遇到的新問題，研究相應的技術方案與對策。廣西是有色金屬錫鉛鋅鎘的資源大省，眾多礦產資源的開發基本都位于城鎮居民生活飲用水取水河流的源頭。大量尾礦廢水長期以來的排放、溢流，不僅降低了天然有機物對重金屬的容納能力，還會源源不斷地釋放重金屬元素，這是飲用水安全的重大潛在威脅。廣西屬亞熱帶季風氣候，非常適合地表和水體植物的生長，形成了豐富的地表腐殖質，其對重金屬的絡合有重大作用。研究腐殖酸對重金屬的絡合對常規混凝工藝運行影響，對現運行水處理工藝的改進(調整)就顯得十分必要。

通過在實驗室的研究，深入了解重金屬離子與腐殖酸絡合并吸附于顆粒物(主要是開礦產生的高嶺土)機理，投加混凝劑后的凝聚絮凝機理，研究聚合氯化鋁用量、pH值、腐殖酸濃度，離子強度對腐殖酸和金屬離子的去除效果的影響，確定運行中的聚合氯化鋁參考最佳用量，為受微污染飲用水源的水質安全提供技術。

利用腐殖酸(HA)本身具有同金屬離子絡合并且以膠體形式廣泛存在于天然水體、生活用水和工業廢水中的特點，分別對腐殖酸與聚合氯化鋁絮凝劑協同作用處理水中重金屬離子污染物的可行性進行了研究。為腐殖酸應用于工業重金屬污染物的處理影響提供了相關分析和理論依據。在微小顆粒物存在條件下，利用絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)、天然腐殖酸(HA)同時作用去除水體重金屬離子Cd2+，從而達到更徹底去除水體中該重金屬離子的目的。分別就PAC和HA用量、pH值條件、顆粒物含量、離子強度，對上述金屬離子的去除作用等進行了系統研究;探討了PAC和HA共存條件下重金屬絡合絮凝沉降的機理。發現采用HA先絡合并吸附于微小顆粒物再用PAC絮凝的方法只要在不同的酸度條件下嚴格控制絮凝劑的用量在相應的最佳絮凝區間就可以達到對于水體中重金屬離子有很好的去除作用效果，對給水處理有很好的現實指導意義。

該課題則在前兩個實驗訓練的基礎上更進了一步，主要的知識點還是混凝工藝，但條件不同了，課程實驗一切皆在控制之中，從實驗試劑、實驗條件、實驗結論都是成熟的東西，學生只是驗證性的、重復性的做做而已，當然了也加深了所學的理論知識。但對學生而言缺少挑戰性，也是學生學習積極性不高的原因之一?；炷木C合性實驗把原水條件放到真實的環境中，要研究腐殖酸與顆粒物的相互作用，然后才是與混凝劑的相互作用，這個復雜性高多了，而且實驗結論也因樣品不同而不同，帶有研究的性質，有不確定性。實驗挑戰性加大了，但并非不可克服，只要學生花點時間，閱讀點相關文獻，對已掌握的理論進行變通，完全可以做好?；炷膭撔掠柧氂媱潉t在綜合性實驗的基礎上結合地方的社會經濟發展中遇到的問題提出解決辦法與方案，學以致用，真正進入了實際應用階段。我們知道，2011年1月15號，發生于廣西柳江上游的龍江重金屬鎘污染事件震驚中外，影響巨大，下游城市柳州的生活飲用水源關閉，整個城市的社會生活秩序都受到影響。作為給水排水工程專業的學生，市政給水的處理和安全飲用水的供應是義不容辭的責任，以此為背景，在調研了國內外研究動態后提出了腐殖酸螯合重金屬鎘，再對其混凝沉淀的課題，同學們也興趣濃，激積性高，目前課題研究試驗工作正在進行中。

二結論

應用型工程技術人才創新能力的培養是社會和學校的共識，實踐教學是給水排水工程專業教學中的重要組成部分，是培養學生綜合運用知識、動手能力和創新能力的關鍵環節，它的作用與功能是理論教學所不可替代的。從培養學生創新能力方面看，科學設計課程實驗、綜合性實驗、創新計劃訓練型實驗項目，使其相互銜接，逐漸深化，理論與實際相結合，實驗內容來自于工程實際等對學生的創新能力培養是有效的。從工程應用能力方面看，把課程設計、生產實習、畢業實習結合起來，結合工程實踐做畢業設計，學生的工程能力會相應提高。

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