虛實結合的水處理實驗教學建設

盛 力，沈 洪，施鼎方，徐竟成

(同濟大學 環境科學與工程實驗教學中心，上海 200092)

0 引 言

與許多其他的工科專業課一樣，水處理相關課程所涉及的是理論與實際聯系特別緊密的一門知識。傳統的課堂教學只能達成掌握基本理論的目標，對水處理工藝技術的深入理解和認識要在工藝實驗和工程實踐過程中才能獲得。而常規實驗教學，教學內容由于受到時間安排和場地限制，所能夠傳遞的知識和提供的訓練也非常有限。要加強教學與實際的聯系，實驗形式亟需改革[1-6]。本文以強化教學與實際應用的銜接為目標，借助信息技術，嘗試將水處理仿真實驗、虛擬實訓與實驗室真實實驗、在線真實實驗相結合，讓不同層次內容和難度的實驗、實訓環節協同作用，加強學生實踐能力的培養。

1 影響專業知識與實際應用銜接的因素

1.1 工藝過程歷時長、穩定性要求高的實驗不易開設

一些工藝過程，尤其是生物處理工藝，微生物發揮降解作用、分解污染物所需時間至少幾小時，表征處理效果的水質污染指標的測定也要花費一定的時間。而要把微生物系統培養馴化至具有穩定處理效能的狀態，需要幾天甚至幾十天的時間。這一類工藝的實驗即使縮小運行規模、簡化處理要求，也難以完全克服工作量大、周期長的問題，在常規教學過程中很難實現。

1.2 實驗教學內容涵蓋范圍小

水處理工藝過程，組成成分和影響因素眾多、相互作用關系復雜。教學實驗由于時間場地限制，內容只能涵蓋工藝理論的某一個小小的局部，實驗條件參數較為單一、變化少，不能展現各因素協同作用下，工藝效能的全貌。而且小型模型或杯罐實驗與實際水處理過程狀態差異巨大，實際過程水質成分復雜，且有一定時間上的波動變化和空間上的不均勻性。這些因素必然對水中發生的物理、化學、生化反應過程產生巨大的影響，因此實驗結果與實際情況存在一定的差異。

1.3 工藝實現所需知識技能之間缺乏串連

水處理過程是在一定規模的反應器中發生的，由機電設備驅動和控制水中雜質的物理化學變化過程。由此可見，水處理工藝目標的實現是以一定的水處理設施、機械為物質基礎的，水處理效果與處理構筑物、泵閥風機通用設備以及工藝專用設備的性能狀況直接相關。反應器構筑物、機械設備對水處理工藝的運行效果至關重要。一般在教學中，工藝實現所需的通用和專用機械設備、運行管理控制等方面的知識，分散在其他課程中。各門課程相互獨立，缺少進行知識融匯貫通的環節。這樣就導致學生多方面知識不能綜合應用，在實踐中還要花一定時間和精力重新整合。

上述因素給教學與實際應用銜接增加了難度。近年來，信息技術在實驗教學中的應用日益廣泛[7-10]，借助信息技術改進實驗形式，為加強水處理教學與實際應用的銜接以及多方面知識的綜合運用提供了一條途徑。

2 虛實結合的常規實驗建設

污水的生物處理工藝原理復雜、形式多樣，前述問題較為突出。圍繞“學以致用”的教學目標，分別以常規實驗、拓展創新實驗、實訓等教學形式設計仿真實驗、在線真實實驗和虛擬實訓的內容，與真實實驗內容相配合，使經過這些教學過程的學生污水生物處理方面的專業實踐能力明顯提高。

2.1 真實實驗為主，虛擬仿真為輔，實驗內容更全面

活性污泥法是污水生物處理的主要方法，它利用微生物的代謝作用去除水中的有機物，微生物的增殖和有機物的降解決定污水處理的效率。這部分內容非常重要，但由于有機物的微生物降解過程耗時較長，不適宜于將活性污泥處理工藝直接在常規實驗教學中進行。故將內容進行調整，開設了“污水可生化性”“曝氣設備充氧性能”以及“污泥性能評價”等與活性污泥法相關的、能夠在常規教學時間內完成的實驗項目。但能夠最直接表征污泥性能和闡釋工藝過程的動力學實驗卻不能在常規真實實驗中開出。

為此，設計建設了“活性污泥法動力學系數的測定”仿真實驗。實驗模擬的場景為教學實驗室，畫面上操作的設備為實驗室使用的簡易模型和儀器設備，實驗原理涉及的是關于微生物生長和有機物降解比較基礎的經驗方程或靜態數學模型。學生通過上網進行實驗操作，實驗過程與相關步驟圖文問答、實驗結果整理、報告生成等環節相互配合。上網不受時間地點限制，學生通過反復操作，對各項參數穩定狀態下有機物降解和微生物繁殖的質量平衡和動力學有一個整體的認知。經過仿真實驗和前述真實實驗的完成過程，學生對活性污泥法基本原理能夠獲得較為清晰、具象的認識和一定程度的掌握。

2.2 在線連續運行實驗系統和污水處理模擬系統的建設

實際污水處理工藝的運行是一個動態過程，水質水量處于連續變化的狀態。在掌握活性污泥法基本原理的基礎上，了解認識動態條件下工藝系統的運行規律和主要影響因素作用趨勢，為實際工藝運行管理和工程設計、改造、優化做基本訓練，就需要工藝連續運行實驗操作以及工藝參數模擬計算等方面的教學內容。

(1)在線連續運行工藝真實實驗系統。基本的動力學實驗與工藝實際應用相比，還有很大的差異。這些差異主要體現在：①實際工藝中的污水水質成分更多樣，各種成分對處理效果影響效應復雜；②實際工藝需兼顧多項水質指標，COD、氮、磷、懸浮物等都要去除，而不是單一指標，各項指標的處理互有影響；③污水處理效果達標要控制工藝運行條件的多項參數，不但有供氧量，還有溫度、生物量、氧濃度變化、固液分離混合狀況等；④要達到一個處理目標往往需要幾個工藝環節的組合，各環節處理效果是相互影響的；⑤實際工藝運行是連續的，污水在處理設施中不斷流動，水質、水量也存在波動或突變的情況，微生物系統需要自我調節、重新穩定。只有開展復雜水質的工藝綜合實驗，才能了解多成分、多參數、組合工藝、連續運行的實際工藝過程的一般規律和工藝運行要點，為專業實踐做充分準備。

接近實際的工藝系統綜合實驗耗時長、工作量大、內容復雜，不能在常規實驗中完成。建設了在線工藝實驗系統，突破時空限制，讓學生在網絡上開展真實實驗[11-12]。系統由4部分組成：①工藝構筑物模型系統，做為水處理工藝反應器；②泵閥等機械執行機構，完成介質推動、攪拌、供氧、污泥回流、排泥等工藝動作；③各類水質、狀態參數傳感器、控制器，監控工藝運行狀況；④工藝運行現場操控、數據網絡發布、遠程控制系統。學生絕大部分操作通過網絡遙控執行機構完成，實驗數據和過程狀態通過傳感器獲得并在網絡上發布，供學生參考。學生與實驗系統的互動在寢室、圖書館等上網場所，甚至手機上網都可以完成(見圖1)。這一系統使耗時連續幾天的實驗能夠由本科生在拓展實驗、創新實驗環節來完成，讓學生經歷真實的水處理過程，獲得真正的水處理技術實踐的體驗和實際工藝過程規律的認知。

圖1 在線工藝真實實驗系統網絡操作界面

(2)污水處理模擬系統。污水處理工藝真實實驗能夠極大程度地做到理論聯系實際，但實驗耗時長、成本高、工作量大、參與人數有限，教學效果難以普及到所有的學生。要在短時間內觀察到不同水質水量、工藝條件共同作用下的處理過程效果，還要依靠污水處理動態數學模型進行模擬計算來獲得。

上述常規實驗題材的仿真實驗機理模型應用的是本科教材中的靜態數學方程。傳統靜態模型因具有形式簡單、動力學參數測定和方程求解較方便等特點，得到了廣泛應用，是水處理專業實踐的基礎。但長期實際應用也表明，靜態模型無法解釋一些現象，不能準確預測水質水量、運行參數變化引起的污泥系統自身的改變，對實際污水處理過程的計算有很大的局限[13]。

活性污泥動態模型研究和應用是近幾十年來發展起來的新熱點[14-17]，國際水協組織各國專家合作研究，陸續推出了3套活性污泥數學模型并為行業所接受。動態模型的計算要依賴于計算機，已有幾種數學模型計算軟件得到一定范圍的應用。選擇一種軟件做為污水處理工藝模擬計算工具，通過執行以下操作完善對特定污水處理工藝的綜合性、整體性、多角度的全面認識(見圖2)。①設置與在線工藝真實實驗系統相同的工藝流程，并按初始設置計算處理效果；②計算結果與真實實驗結果對比，用真實實驗數據校準模型系數，使實驗結果與模擬結果一致；③校準后的模型確定后，依次單一改變進水水量或COD、氨氮、總磷等水質指標以及供氧量、水溫、污泥回流量等條件參數，計算出水效果的改變及再穩定過程；④將工藝組合中的某一活性污泥法工藝替換成其他工藝，經計算得出處理效果，并根據結果調整工藝參數直至得到技術經濟合理的處理效果。上述模擬內容中，工藝設置、參數校準等相對復雜的操作，可由教師幫助完成，學生主要操作第3步內容，便于快速上手，短時間內獲得多種模擬結果，對一個特定活性污泥法工藝的動態運行規律形成深入、全面的認知。這個過程能大大加深學生對活性污泥法工藝原理的理解深度，鍛煉工藝系統運行控制管理和工程設計優化知識運用，提升專業實踐技術水平。

圖2 動態污水處理過程模擬界面

2.3 虛擬實訓系統與真實實習實訓相結合

污水處理工藝理論在生產實際中付諸實現，工藝運行狀態的保持、調整，還需要借助通用機械設備、專用工藝設備、處理構筑物等附屬設施的動作執行來完成。水泵、風機、閥門等通用設備，由于在工藝中發揮的功能不同、控制方式變化，種類也有很大差異，操作動作方式也會有所不同。機械設備選型的適合與否對工藝運行效果有直接影響，構筑物土建結構與各類機械設備配合的合理性對工藝運行管理便利性、安全性的影響也有很多實踐經驗需要汲取，工藝附屬設施的實際使用涉及一些教材中沒有的知識。

實習實訓一直是本科生實踐環節的一部分，由于學時限制，一般只能走馬觀花，對污水廠形成粗略的直觀感受，對生產運行的一些重要細節很難留下記憶。基于此，本文取材于真實污水廠，以整個污水廠為虛擬場景，從水廠管理和運行人員的角度展開畫面，建設了污水廠虛擬實訓系統。

系統表現內容分為兩個部分。①污水廠三維實景，包括構筑物、機械設備、現場就地控制操作設施(見圖3)。現場泵閥機械設備能夠就地操作，并表現與操作對應的設備運行和構筑物上水面的不同狀態；構筑物通過透視功能展示三維立體結構以及水流狀態；構筑物旁的說明板能夠通過文字和動圖對相關工藝進行說明。②污水廠DCS控制系統虛擬場景，模擬污水廠集散控制系統對污水廠工藝總體運行進行控制(見圖4)。系統控制包括污水廠各個工藝環節設備的開關、啟停以及可變參數量的調整，并以此為條件得到相應的處理效果。

系統工藝內容為典型的活性污泥法處理工藝，機理模型以真實污水廠運行數據為藍本，虛擬實訓系統的操作對學生了解實際污水處理工程全貌，熟悉實際污水處理工藝管理發揮重要作用。

圖3 污水廠構筑物、設備場景

圖4 污水廠DCS系統操作界面

3 結 語

通過虛擬仿真技術與真實實驗實訓在內容上互相結合，針對活性污泥法污水處理工藝，由常規真實實驗和仿真實驗打牢傳統靜態模型的理論基礎、由在線工藝實驗系統拓展創新實驗和污水處理動態過程模擬計算加深對污水處理系統動態過程機理規律的認識、由虛擬實訓系統結合實習實訓補強對污水處理實務的了解。通過3個層面虛實結合的實踐過程，學生對污水處理從理論到實際應用做到全面銜接，明顯提升了專業知識的實際應用能力。污水處理數學模型模擬系統是有效提高理論認識水平的工具，其與虛擬實訓系統或在線實驗系統相結合應用于實驗教學的方式方法值得深入探索。