計算機仿真在環境工程實踐教學中的應用

摘要：近年來，基于數學模型的污水處理工藝仿真在污水處理領域得到了廣泛應用。為了使學生更好地適應就業要求，在環境工程畢業實習實踐教學環節中引入了基于計算機仿真的數學模型分析環節以使學生更好的將理論知識與工程實踐相結合。實踐證明，在環境工程畢業實習教學中引入計算機仿真分析這一現代化的教學手段，有效提升了實習的針對性和系統性，提高了學生理論聯系實際和解決實際問題的能力。

關鍵詞：環境工程；污水處理；實踐教學；仿真

作者簡介：周振（1981-），男，山東臨沂人，上海電力學院環境與化學工程學院，副教授；張萍（1960-），女，上海人，上海電力學院環境與化學工程學院，副教授。（上海 200090）

基金項目：本文系上海市教委精品課程《給水處理工程》、上海電力學院研究生課程建設、上海電力學院培英計劃的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0186-02

作為以培養應用型人才為主的環境工程專業，畢業實習是其實踐教學過程中的重要環節，可加深學生對基礎知識的理解與掌握，提高學生利用理論知識分析與解決實際問題的能力。[1，2]其中，污水處理廠的現場參觀學習通常是環境工程實踐教學環節的重要內容。現場參觀學習需要了解污水處理工藝、控制過程和運行管理措施，但由于實踐教學存在時間緊、現場介紹直觀但不夠系統等問題，導致學生的實踐學習往往流于表面，缺乏對污水處理系統的全面了解，更無從談起實際運行管理與理論知識的結合。

隨著科學技術的迅猛發展，計算機仿真技術越來越廣泛地被應用于各領域的專業教學，如自動化、[3]水電機組監測與故障診斷[4]等。目前，計算機仿真在環境工程實踐教學中的應用偏重于運行演示，[5]缺乏與實際污水處理廠的關聯及運行管理原理分析。本文擬在畢業實習環節中引入國際水質協會推薦并經實踐檢驗的活性污泥模型（ASM）[6，7]和污水處理專業仿真軟件WEST，[8]建立典型工程案例的污水處理工藝模型，通過整體介紹與細節分析讓學生掌握污水處理中的關鍵運行控制變量，讓學生目的明確、全面深入的了解污水處理過程和運行特性。

一、污水處理系統仿真軟件概述

污水處理系統仿真軟件一般由動力學模型、模型表達、參數校正、數值分析、數據表達和用戶界面等模塊組成。[7，9]在污水處理領域，用于數學模擬的軟件可分為四個層次：[7，9]一是電子數據表，可進行穩態計算，實現針對普通微分方程的簡單數字程序；二是低端通用型語言（如FORTRAN、C、Basic等），創建模型的靈活性最高，但耗時費力；三是通用仿真軟件（如Mathematica、MATLAB等），能夠執行模型運算，可從網上下載；四是專業仿真軟件（如BioWin、WEST等），主要由預定義的工藝模型單元庫構成。

WEST3.7.5將用于本文污水處理系統仿真和工藝分析。WEST軟件是由比利時Hemmis公司與Ghent大學聯合開發的、用于污水處理工藝動態模擬的專業仿真軟件。通過引入組件單元（如活性污泥反應器、沉淀池、傳感器等），軟件可幫助用戶使用分級圖形編輯器構建模擬對象，并建立組件單元間的關聯；后臺模型庫中提供了大量的組件模型以供選擇。軟件為高級用戶提供了二次開發平臺，通過MSL數據庫可實現用戶對模型庫的自定義擴展。WEST軟件目前在歐洲、北美、亞洲和澳大利亞擁有許多用戶，在工業廢水和生活污水處理領域均有應用。

二、模擬仿真在實踐教學中的應用

目前上海市共有53家城鎮污水處理廠，其工藝包括厭氧/缺氧/好氧、缺氧/厭氧/好氧、氧化溝、Unitank、MSBR等，千差萬別的工藝使學生在多家污水處理廠的參觀實習過程中很難把握其本質。因此，針對不同處理規模、工藝差別較大、處理目標不盡相同的污水處理廠，如何提煉污水處理運行管理中具有普遍規律性的內容并掌握應用就成為畢業實習教學的重點。

由于大部分城市污水處理系統均采用二級生物處理工藝，通常涉及到厭氧、缺氧、好氧和固液分離4個處理過程，以滿足COD降解、懸浮固體去除、硝化、反硝化和強化生物除磷的需要，因此引入ASM模型對典型生物處理系統進行研究將具有普適性的意義。此外，對污水處理廠能夠進行調控的操作變量進行梳理，可概括出污水生物處理系統的6大操作變量：進水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧設定值。為此，可通過計算機仿真技術操作變量進行詳細分析，以得到不同運行參數下影響污水處理廠出水各指標的最佳調控變量。典型的計算機仿真工藝流程[8]如圖1所示。

在計算機仿真教學過程中，兼顧了系統整體介紹和細節分析，既通過仿真分析介紹了控制變量對出水水質的影響，又通過動力學模型分析解釋了污水處理廠控制參數設置的合理性。如參觀污水處理廠的溶解氧設定范圍為2～3mg/L，為了有助于學生分析其設定范圍的合理性，在實習過程中引入了ASM中開關函數的概念，并通過模型演示介紹了溶解氧對反應速率的影響（見圖2）。通過相關的模擬仿真分析，加深了學生對實習過程中污水處理過程工藝控制的認識，有助于學生理論知識與實踐知識的融會貫通。

為了更好地突出數學模型仿真教學的優點，在畢業實習過程中，首先給學生布置部分問題，讓學生帶著問題進行污水處理廠的現場參觀學習。待完成現場參觀學習后，要求學生進行實習內容總結，數學模型仿真與實例分析安排在實習內容總結之后。在計算機仿真演示之外，要求學生結合專業知識對仿真結果進行分析，并對仿真結果進行估計。與此同時，結合計算機仿真和數學模型計算對實習過程中參觀污水處理廠的工藝特點和存在問題進行分析。

在工程實例分析中，選取上海市的典型污水處理廠氨氮去除效率高但出水總磷濃度過高的案例進行分析，并通過計算機仿真分析提出運行管理建議。考慮到氨氮和總磷的協同達標問題，通過模擬仿真分析建議增加排泥量降低系統污泥齡以有效降低出水總磷，并適當降低好氧曝氣過程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干擾反硝化和厭氧釋磷，這也有助于降低出水總磷濃度。

三、實踐教學效果分析與建議

實踐表明，將計算機仿真教學與污水處理廠現場實習結合，能收到很好的實習效果。與傳統的參觀實習方式相比，計算機仿真作為對實際生產過程的等效描述，能以其獨有的技術和效果為學生提供一個良好的多通道學習機會和訓練創造性思維的氛圍。通過系統性的對污水處理工藝過程進行描述分析，學生能夠將現場參觀實習的感性認識上升到系統分析的理性認識高度。仿真操作不僅可以使學生將所學的理論知識與實踐結合起來，也可以為他們的思維提供一個寬廣的空間。計算機仿真分析的工藝流程演示有助于學生樹立起全局觀念和學習的積極主動性，這是因為仿真分析需要用系統的觀點對污水處理工藝的運行管理及可能達到的效果和出現的問題進行分析，要求運用所需知識探索各種參數之間的相互影響，才能得出最佳的運行管理效果。

從2011年和2012年的畢業實習教學效果來看，基于數學模型的污水處理工藝仿真演示對提升教學質量有非常明顯的效果，學生的學習積極性和動手能力都得到了較大的提高。從學生實習報告的質量來看，對工藝流程和單元模塊作用的分析較以往深入，對實習過程中問題的回答方向性也更為明確。

當然，計算機仿真技術應用的前提是對相關模型的深入了解，但目前教學環節中尚缺乏對污水處理數學模型的系統講授，這就造成學生對數學模型與結果分析的理解較為吃力。因此，在實踐教學中簡化了建模與模型分析的步驟，要求學生集中更多精力用于模型結果的分析。另外，由于數學模型仿真分析是一項耗時費力的工作，在2011年和2012年畢業實習引入計算機仿真分析時，僅采用多媒體課件的形式進行結果的分析演示，今后將考慮分步驟引入案例小組討論、模擬仿真分析實驗等內容。

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（責任編輯：孫晴）