固體廢棄物處理與處置虛擬仿真實驗教學的設計與實踐

肖 敏，張玉革，林靜雯，王英剛，魏建兵，高 丹

(沈陽大學 環境學院 區域污染環境生態修復教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044)

環境工程專業涵蓋化學、生物、地學、物理等學科知識，是一門運用給排水工程、化學工程、機械工程等技術原理和手段，協調環境與發展，保護和改善環境質量，解決廢氣、廢水、固廢、噪音污染等問題的綜合性交叉學科[1-2]，以培養學生獨立分析和解決復雜環境工程問題能力、培養具有創新精神和實踐能力為主要目標，因此實驗實踐教學是該學科重要環節.

《固體廢棄物處理與處置》是環境工程專業的主干課程，通過典型固廢處理與資源化原理與工藝，培養學生相關工程實踐能力.但在固廢綜合性實驗的實踐教學中，如垃圾焚燒、好氧堆肥、厭氧發酵等實驗，存在著試驗周期長、二噁英及惡臭氣體排放、微生物馴化培養耗時較長等問題，使得實驗操作存在諸多不確定性[3].

虛擬仿真實驗采用過程模擬仿真技術，將設備工作原理算法化，根據工藝流程結構搭建數學模型[4-5]，已在生物、土木、藥學、環境工程等高危環境操作及實踐教學領域中進行了探索與實踐[3，6-9]，學生根據指導教師所設定情景，進行在線預習、工藝設計與選擇、數據處理、分析計算，借以進行大型設備的操作、設備故障現象再現、工藝調控等，培養學生動手能力和提高對設備、工藝的理解能力.

以固廢實驗教學為例，借助東方仿真軟件進行虛擬仿真，針對垃圾焚燒、好氧堆肥和厭氧發酵工藝建立虛擬仿真模塊，模擬垃圾焚燒系統、煙氣凈化系統、滲濾液處理系統、灰渣處理系統等單元設備結構與操作現象；模擬堆肥前處理、發酵等多個環節，幫助學生熟悉設備流程及典型工藝過程，學習設備閥門、設備和儀表的正確操作步驟，使學生熟悉垃圾焚燒發電、好氧堆肥與厭氧發酵工藝相關基礎知識、工藝流程、培養實操能力和工程設計能力，彌補實體實驗的不足，還原真實操作場景，以期為高校環境工程專業虛擬仿真實驗教學體系建設提供經驗和借鑒.

1 固廢虛擬仿真綜合實驗及系統組成

1.1 固廢虛擬仿真實驗內容

固廢虛擬仿真綜合實驗內容主要包括垃圾焚燒發電工藝、好氧堆肥及厭氧發酵工藝、主要設備及儀表、工藝流程等.其教學體系包括仿真操作型實驗、工程實踐型實驗和仿真設計型實驗3部分，如圖1所示.

圖1 固廢虛擬仿真實驗技術路線

1.2 固廢虛擬仿真實驗系統組成

依托仿真軟件，結合固廢工藝原理和人工設計計算過程，該實驗分為6部分：理論知識考核及拓展、虛擬仿真實驗情景設計、仿真設計型實驗設計、虛擬仿真實驗結果處理與分析、故障排查與調整、虛擬仿真實驗成績評定.

首先，學生要對垃圾焚燒技術及熱值計算、好氧堆肥及厭氧發酵理論及工藝有一定的理解，掌握實驗原理，理解實驗目的，明確實驗步驟；其次，明確實驗參數的設置、分析與處理方法；學生結合所學知識，根據老師提供的設計情景，自行設計實驗方案，先采用手算方法進行初步設計，而后通過仿真實驗進行單因素或多因素影響模擬實驗進行優化計算與校核，并比較分析兩者結果；最后結合實驗運行結果與過程調試情況，撰寫分析報告及仿真實驗設計報告，并通過答辯方式進行結題考核.

2 虛擬仿真實驗過程

2.1 理論拓展及流程設計

引導學生回顧所學固廢焚燒與生物處理工藝相關理論、流程、參數、單元設備和注意事項；利用環境微生物學、水污染控制工程、大氣污染控制工程、環境生態及監測模塊，復習COD、CH4、CO2、總氮及大腸桿菌等測定，融會貫通專業脈絡.

垃圾發電工藝系統模擬 500 t/d 的垃圾焚燒處理過程，采用控氣型固體廢棄物熱分解處理技術(CAPS)，結合垃圾存貯給料系統、焚燒、熱能利用發電、煙氣凈化和灰渣熔融系統的工藝流程如圖2所示.在該技術流程中，生活垃圾經計量、破碎預處理后，由抓斗進入焚燒爐，分別通過將垃圾徹底燃燒，產生的爐渣由等離子灰渣熔融爐處理.垃圾滲濾液經過濾網進入滲濾液處理系統焚燒過程中會有一次風、二次風與投油助燃系統，以保證充分燃燒、控制煙氣濃度；煙氣經余熱鍋爐、過熱器、蒸發器和省煤器，進入汽輪機發電系統；剩余煙氣經洗氣吸收塔后經活性炭吸附通過旋風與布袋除塵器系統排放[10].在仿真試驗中，對工藝開停車步驟和閥門、設備及儀器的正確操作及應急響應方法及典型事故處理進行培訓(如：煙塵、SO2及NOx濃度過高，焚燒爐溫度過低等)；并記錄石灰漿液、氨水的使用量煙氣溫度、煙氣量等指標參數.

好氧堆肥及厭氧發酵工藝系統主要包括好氧/厭氧發酵反應器主體、供風系統、滲濾液收集和回灌系統實驗裝置和控制系統，好氧發酵反應的滲濾液收集和回灌系統包括滲濾液收集池、回灌水泵、控制調節閥、流量計裝置.模擬生物處理過程的影響規律，掌握影響因素對好氧堆肥或厭氧發酵處理的變化規律；掌握基本操作方法，探究反應器結構及運行方式、溫度、時間、pH等對產氣量、沼氣成分、COD變化的影響規律，認識環境溫度、C/N比等因素產生的影響.

圖2 垃圾焚燒發電流程

2.2 虛擬仿真實驗情景設計

學生根據指導教師所設定的情景模式進行虛擬實驗，在仿真操作界面自由選擇實驗工況，設置對應參數.例如，在餐廚垃圾厭氧發酵仿真實驗中，設定C/N比為24∶1的碳氮比發酵原料在 45 ℃ 高溫環境中進行厭氧發酵.

學生首先根據原料組成，手動計算厭氧發酵過程中CH4、CO2產量理論值，并對產生的數據進行分析處理；再通過仿真軟件完成厭氧發酵實驗，并繪制溫度、pH隨時間的變化，記錄在試驗期間CO2、CH4成分和產氣速率.仿真實驗操作界面如圖3 所示，學生按情景設定相應碳氮比、溫度等參數值，記錄發酵過程參數變化情況并與理論值進行對比分析，結果如圖4所示.

由圖4(c)可見，厭氧發酵實驗中，學生手動計算得到的CH4產量理論值與仿真實驗值吻合較好，相對誤差小于10%，滿足工業設計的要求.誤差來源于產甲烷模型的簡化假設等方面.

圖3 厭氧發酵仿真實驗裝置及操作界面

圖4 厭氧發酵過程圖

2.3 仿真設計型實驗設計

利用計算機輔助手段，對單體工藝過程進行分析及工藝參數影響分析，進而對固廢處理過程系統進行分析，確定其各個部位的屬性和性能指標.

如在好氧制堆肥仿真試驗中，考查溫度對過程的影響.首先，學生回顧堆肥溫度范圍及其機制，而后利用仿真軟件分別設置環境溫度為25、35、55 ℃，進行好氧堆肥實驗，記錄數據并繪制圖表，如圖5、6所示，結合相關文獻分析討論.

圖5 好氧堆肥與仿真實驗裝置及操作界面

圖6 溫度對好氧堆肥過程的影響

由圖6可知，初始溫度 55 ℃ 的好氧堆肥過程酸化周期較25、35 ℃ 顯著增長，體系升溫節點推遲，且體系pH值下降幅度較大，結果表明在反應初始階段，環境溫度過高，抑制了嗜溫菌的活性，降低可溶性有機質的降解速率，抑制堆肥反應的進行；但隨著初始溫度的升高，難溶性有機質的水解程度顯著增加，提升固廢的生化降解程度.

2.4 數據處理與分析

根據實驗情景進行虛擬仿真實驗，依據變化趨勢對實驗結果進行分析討論，觀察實驗現象，記錄仿真實驗數據，根據產物指標判斷工藝參數優化的準確性，建立動態穩定運行工藝的工程理念；熟練掌握Origin及Excel等軟件繪圖技巧與分析處理數據方法；并可進行多方案的對比分析，撰寫實驗報告.

2.5 故障排查與調整

結合實際案例，提出問題，引導學生給出解決方案和流程；或在學生進行仿真實驗運行過程中，系統發生故障報警時，指導學生理論聯系實際，進行系統參數的調試，做出方案結論并進行經濟效益分析，進一步強化工程意識，鍛煉學生對設備故障的排查能力；通過設置應急演練，使學生警惕實際生產中的安全隱患，鍛煉學生應急處理能力，有效解決現場實習的不足.

2.6 實驗成績評定

實驗指導教師通過設計計算結果、實驗運行、故障排查與調整、模擬實驗分析報告、仿真設計報告及答辯情況綜合評定學生成績，包括實驗操作及理論知識兩個方面進行.例如垃焚燒發電工藝中相關基礎知識、工藝流程、控制參數等，能夠根據工藝流程圖找到相關的處理單元，并學習和掌握設備的內部構造和運行原理，回答教師在課堂上關于實驗原理、工藝單元、設備構造、數據分析處理、單元操作等方面的提問；并能通過自主設計焚燒工況參數影響模擬實驗，探尋最優運行條件和優化設計.理論知識測評成績占總評成績的20%.學生進行固廢處理工藝流程進行虛擬仿真實驗操作，根據操作順序、操作規范和參數選擇的準確性等對操作技能進行分析評分，操作技能得分占總評成績的40%.根據固廢處理工藝流程選擇，開車運行調節并優化工藝運行參數，掌握不同運行參數條件下，系統對固廢的處理效果，仿真實踐型和設計型實驗操作占總評成績的20%；實驗結果達標考評及模擬實驗分析報告、仿真設計報告的成績占總評成績的15%，并引導學生將仿真實驗項目與仿真設計大賽、大學生創新創業項目、遼寧省環境生態科技大賽、國家及省市級科研課題、橫向課題等實際需求及科技創新競賽相結合，通過仿真實驗數據處理與分析討論，指導學生撰寫科技論文，以項目獲批級別、獲獎級別和發表論文情況等方面進行考核，此部分占總評成績的5%.

3 教學效果

引入仿真實驗教學5年來，學生學習積極性有了明顯提高，參與工程創新性的項目逐年增長，工程理念得到進一步提升.通過虛擬仿真實驗，使學生熟悉工藝流程設計及操作單元的組合，鍛煉學生對設備故障的排查能力；通過設置應急演練，使學生警惕實際生產中的安全隱患，鍛煉學生應急處理能力，有效解決現場實習的不足.通過實驗的開展與完成不僅使學生了解、熟悉項目各主要環節的要求和規范，在實踐過程中主動學習新的知識，提高了文獻收集和分析能力，還激發學生對專業的興趣，積極參加科研課題、科技創新競賽及大創計劃，并將仿真實驗的結果與實體實驗進行對比分析，促進部分學生繼續深造學習.先后有57名學生在省級以上期刊上發表科研論文；有233人獲得國家級、省市級、校級以上“挑戰杯”“大學生創新創業訓練計劃”等各種獎勵和榮譽[11-13]；幾年來，考研率節節高升，學生由我校環境工程專業考入中科院生態所、華南理工大學、大連理工大學、東北大學、遼寧大學、沈陽建筑大學、南京農業大學等院校的研究生，并在從事科研課題研究中取得較好成績.近5年來，我院環境工程專業學生能更針對性地學習了解并分析解決生產運行相關實際問題，提高了專業學習效果.在的能力方面，畢業生以工作踏實、動手能力強及較強的分析解決復雜環境工程問題能力得到了用人單位一致好評，提升我校學生在業界中的認可度.

4 結語

本文以固廢綜合仿真實驗為例，闡述了環境工程專業虛擬仿真實驗教學的設計與實踐過程，構建仿真實踐教學模式，側重培養學生創新與動手能力及獨立分析解決復雜環境問題的能力；通過虛擬仿真實驗，使學生熟悉環境工程相關基礎知識、工藝流程、培養實操能力和工程設計能力，避免實驗安全風險等不確定因素，加強學生對專業理論知識的掌握，提高學生的科研素養和創新能力.