危險廢物全生命周期處理與處置實驗虛擬仿真設計

王東梅， 龔正君， 王 君， 惠彬宇， 羅鶴松

（1.西南交通大學環境科學與工程學院，成都 611756；2.南充嘉源環保科技有限責任公司，四川 南充 637900）

0 引 言

危險廢物危害大、污染重、影響深，是環境污染防治任務中最難處理的污染物之一［1-2］，如何實現此類廢物的妥善處理與處置，減輕對生態環境的影響已成為當前亟須解決的問題［3-5］。在環境類專業課程教學中，固體廢物處理處置與資源化實驗是其專業核心課程，但受限于危險廢物的危險性、處理處置技術的特殊性，危險廢物處理與處置實驗成為學生做不了的實驗［6-7］。為全面培養具有此類技術的環境工程專業學生，亟須結合現代信息技術搭建實驗虛擬仿真以實現對危險廢物處理處置實踐能力的訓練，達到對人才實踐能力全面培養的目的［8］。

在固體廢物處理處置與資源化領域，當前有高校已建設有機固體廢物厭氧發酵、垃圾焚燒發電和危險廢物突發事故應急處置等實驗虛擬仿真等［9-10］，還無針對危險廢物預處理及處置技術的實驗及實踐內容。鑒于此，以最新的相關技術規范為依據［11-13］，基于全生命周期的理念設計開發了危險廢物處理處置實驗虛擬仿真系統［14］。該系統將危險的處理對象、特殊龐大的實驗裝置、不可逆的實驗過程直觀形象的展現，以工程師的角色通過任務式引導讓學生如同親臨實境。該系統為環境類學生實踐能力培養提供了共享實驗虛擬仿真教學資源，支撐環境工程新工科人才的培養。

1 設計思路與系統架構

依托環境工程國家級一流本科專業建設，面向我國雙碳戰略下生態環境保護的需求，以培養具有專業勝任能力和解決實際工程問題的高層次應用型新工科人才為目標，自主研發危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真。實驗設計堅持“學生中心、問題導向、產教融合、創新實踐、思政融于課程”的理念，以危險廢物的全生命周期為主線，采用3D 建模、音樂動畫、人機交互等技術構建危險廢物分類收集、貯存轉運到處理處置全流程的虛擬仿真設計，實現從“搖籃到墳墓”全過程的實驗操作。整體設計架構見圖1。

圖1 危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真總體架構

2 核心要素仿真構建

以學生沉浸式的學習為目的，構建虛擬環境場景，模擬人類在生產生活各環節產生的危險廢物，引導學生化身“環保工程師”，實施從收集、貯存到處理處置的全生命周期過程，提升學生固廢資源化、源頭減量化、能耗降低、碳排放減少的環保理念。本實驗主要通過對危險廢物源頭、過程和終端處置全過程的仿真，達到對學生全生命周期沉浸式、情景式的實踐教學。

2.1 危險廢物分類收集

此模塊以《國家危險廢物名錄（2021 年版）》為依據［15］，以危險廢物產生的4 個主要空間環境為仿真場景（見圖2），讓學生通過沉浸式的漫游，分別進入不同場景去識別各類危險廢物，并完成危險廢物的分類收集。該模塊包含4 個步驟：

圖2 危險廢物分類收集設計與場景

步驟1社區危險廢物的分類收集與豁免規定。

步驟2學校等科研教學機構危險廢物的來源與分類收集。

步驟3醫院危險廢物的特殊規定與分類收集。

步驟4工業園區危險廢物的種類與分類收集。

交互操作與評價同步進行，學生在操作過程中錯誤的操作會及時反饋。

2.2 集中貯存與安全轉運

危險廢物從用戶貯存庫房轉運至危險廢物處置中心分類入庫的流程以2D、3D虛擬仿真技術完整呈現。此模塊通過任務引導學生進行貯存轉運認知到分類入庫標準流程，完成從用戶到處置中心的轉運入庫，為下一步方案制定及執行打下基礎。在分類入庫環節通過危險品閃點、熱值、揮發性等情況為不同的廢物進行庫房的分配。如若選擇錯誤，系統會實時提醒學生反思進行修正。集中貯存安全轉運主要場景見圖3。

圖3 集中貯存與安全轉運主要場景

2.3 危廢處置方案制定

此模塊引導學生學習處置方案制定的原則、各類處理處置方法認知，根據危險廢物特性完成預處理及處置方案的制定。處理處置原則步驟包括“資源化”“減量化”“無害化”三大原則認知和考核。危險廢物各項預處理技術包括粉碎、過濾、固化等，處置技術包括焚燒、物化、填埋等［16］，通過認知學習處理處置技術掌握適應的廢物類型。此環節讓學生掌握不同危險廢物的處理處置方案并熟悉工藝流程。在此基礎上，“危險廢物預處理方案制定”步驟為不同危險廢物匹配正確的預處理方法，“危險廢物處置方案制定”步驟為不同危險廢物匹配正確的處置方法。此模塊完成后生成不同類型危險廢物全生命周期處理路線圖。此模塊邏輯流程見圖4。

圖4 危廢處理與處置方案中各模塊邏輯流程圖

2.4 處置中心處理與處置

處置中心處理處置模塊以危險廢物處置廠為原型，采用三維虛擬仿真技術形象、全面地仿真危廢處理中心的核心處置設施。包括焚燒處理系統（固體預處理-液體預處理-焚燒系統）、物化處理系統（重金屬酸堿廢液處理-廢乳化液處理）、安全填埋系統（固化穩定化-安全填埋）。處置中心虛擬仿真場景如圖5 所示。焚燒處理系統執行危險廢物焚燒的預處理操作，對不同危險廢物進行配伍合格后進入危險廢物的焚燒流程。物化處理系統涵蓋了含重金屬廢酸堿液物化處理和廢乳化液的物化處理。安全填埋系統包括危險廢物固化與穩定化預處理和安全填埋操作。

圖5 處置中心主要虛擬場景

危險廢物入爐前應根據焚燒爐的性能要求對危險廢物進行配伍，其熱值、主要有害組分含量、可燃氯含量、重金屬含量、可燃硫含量、水分和灰分符合焚燒處置設施的設計要求。本實驗設計入爐熱值高于14 650 MJ/kg（3 500 kcal/kg）、硫含量低于2%、氯含量低于2%、氟含量低于0.1%、磷含量低于0.5%；根據各類物料的配伍因子值確定不同物料的配伍量，以達到入爐要求。固化環節中需根據標準制定3 種不同的固化劑配比方案，得到浸出液中4 種重金屬的相關參數的實驗報告，并判斷配比的浸出液中重金屬濃度是否達到國家標準［17］。學生需要根據固化穩定化實驗操作結果，分析水泥添加比例對混合物料重金屬浸出濃度的影響，并從經濟成本、效果、處理效率等方面討論不同方案的優缺點。

2.5 減污降碳拓展模塊

當前，我國生態文明建設同時面臨實現生態環境根本好轉和實現碳達峰碳中和兩大戰略任務，開展減污降碳協同治理已成為我國深入打好污染防治攻堅戰的重要方向。減污降碳拓展模塊以加深學生對減污降碳協同處理的認知思考為目標，從減污降碳協同治理知識背景、危險廢物及資源化利用方式到制定減污降碳協同仿真方案，引導學生從發現問題到分析問題，再到解決問題。在協同處理實驗設計中，選擇合適的空白和對照實驗中煤炭與油基巖屑配比，根據結果讓學生加深理解資源化利用、減污降碳協同處理的意義。

3 實驗教學設計

3.1 實驗教學目標

減污降碳協同治理是生態文明建設和實現雙碳目標的關鍵路徑，其中危險廢物的減量化、無害化和資源化處理處置是該關鍵路徑的重要環節，該方向人才的實驗技能是培養的重要內容。作為《固體廢棄物處理與處置實驗》獨立實驗課程的實驗項目，通過本實驗要達到的教學目標：

（1）掌握危險廢物從源頭產生分類收集、集中貯存安全轉運、到處置中心處理處置全生命周期的過程管理、工藝流程和關鍵知識能力。

（2）了解危險廢物主要的預處理與處置技術，掌握不同實驗參數對焚燒配伍、物化處理及固化穩定化效果的影響規律，具備對不同類別危險廢物匹配合理處理處置方案的能力。

（3）了解危廢減污降碳協同處置的關鍵因素和減污降碳的效果評價，培養學生雙碳戰略下減污降碳協同增效的理念、系統分析能力和解決實際工程問題的創新實踐能力。

3.2 實驗教學過程

實驗教學過程以問題引導和驅動下的探究式教學模式為基礎進行設計。在實驗課程教學前的2 周，將實驗系統的視頻簡介、引導視頻及實驗要求一并發給學生；實驗課前，學生通過教材和國家相關標準規范等電子資源自主學習相關理論，針對實驗內容進行自主學習和準備；課上，老師通過應用引發的理論與技術問題，引導學生先進行研討交流，形成一定的共識或爭議；以實驗系統為依托，引導學生根據自己的認識去仿真操作，發現不足并引出新問題；在老師的引導下根據所學理論進行改進嘗試和探究，找出解決問題的辦法，在仿真系統上說明改進的效果，提交實驗結果，撰寫實驗報告。老師在其間只起到引導、釋疑和推動作用。

該實驗虛擬仿真4 個學時，學生可在整個場景和情境中進行交互性操作。實驗流程為：登錄系統-視頻學習-開始實驗-領取任務-危險廢物分類收集-集中貯存安全轉運-危廢處置方案制定-處置中心處理處置-減污降碳拓展模塊-上傳成績-報告討論-提交報告-實驗結束-退出系統-教師發布成績（見圖6）。

圖6 實驗操作全流程圖

3.3 實驗教學方法

基于危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真教學平臺，采用沉浸漫游與任務驅動同步、自主設計與進階引導同步、交互操作與反思評價同步“三同步”的實驗教學方法（見圖7），實現本實驗虛擬仿真教學的目標。

圖7 危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真“三同步”教學方法

（1）沉浸漫游與任務驅動同步。實驗中引導學生化身“環保工程師”，進入虛擬世界，系統下達任務：以工程師角色完成一個地區的危險廢物的全生命周期處理處置。學生帶著任務，進行自主探索和互動協作學習，模擬收集、貯存、處理處置人類在生產、生活各個環節產生的危險廢物。學生通過任務引導認知全生命周期的內涵，掌握從源頭控制污染，減少污染排放，廢物資源化的工藝和技術，深刻了解從源頭、過程到最終的全生命周期的危險廢物的處理處置，提升對危險廢物全方位的認知。學生提前進入“環保工程師”的工作狀態，感受工程師的“責任感”和“成就感”，通過沉浸漫游與任務驅動同步的實驗教學，實現學生分析問題、解決問題能力的提升。

（2）自主設計與進階引導同步。實驗設計中，引導學生自主設計實驗，在焚燒配伍、固化穩定化等環節自主調整參數，對比不同參數的結果差異，引導思考重新選擇。通過操作，學生能自主探索和比較各種配伍參數、固化參數的不同效果，鍛煉學生的自主探索能力和創新思維。基于當前碳中和背景，引導學生進階思考實現低碳減排的方案和路徑。設計中從減污降碳協同治理知識背景、危險廢物及資源化利用方式到減污降碳協同處理方案的制定，提升學生固廢資源化、源頭減量化、降低能耗、減少碳排放的環保理念。

（3）交互操作與反思評價同步。在每個實驗步驟中，以“認知提示”“任務引導”和“錯誤提示”等多種方式引導學生，對實驗步驟和實驗結果做出分析、判斷與決策。系統實時同步提供評價考核結果，學生可及時反思自己的全部操作和知識能力缺陷。學生還可根據評價結果和興趣，反復進行仿真。學生通過人機交互，明確自身存在的知識能力不足，通過自主學習及時彌補，在交互式實驗中深化對核心知識和技術的理解，培養學生系統性的思維判斷與分析能力。

4 結 語

（1）構建的實驗虛擬仿真系統全方位實現了從危險廢物產生源頭、集中貯存、安全轉運到處理處置涉及的所有知識點的實驗探究，將危險性不可逆的處理過程和實驗結果形象呈現，極具可觀性和吸引力。系統設計解決了實驗難以組織實施，也無法承受大批量的學生同時實驗的難題，有效拓展了實驗內容的深度和廣度，提升了減污減碳處理的學習效果，凸顯了實驗虛擬仿真的優勢。

（2）依托該實驗虛擬仿真教學，切實拓展以任務引導和問題導向為主要形式的實驗教學方法，通過讓學生自主操作、調整主要參數，實現對處理規律的影響探究，結合軟件的自動評分系統，讓學生能直觀看到實驗效果，有效調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和潛能，推進了問題導向式教學方法的普遍運用。

（3）以最新的相關技術規范為依據，校企協同，將企業最先進的處理處置技術融入實驗虛擬仿真，通過進階式的任務體系，讓學生完成減污降碳協同的知識內容，培養學生雙碳戰略下的低碳環保協同理念。教學目標的達成有助于學生畢業后快速適應環保工程設計與施工等工作或從事固體廢棄物處理與資源化等科學研究，為畢業生成長為高層次應用型“新工科”人才奠定重要的基礎。