王淑勤, 尹大琪, 蘇金波

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 保定 071003)

仿真案例教學(xué)法在“廢水處理工程”中的應(yīng)用

王淑勤, 尹大琪, 蘇金波

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 保定 071003)

針對“廢水處理工程”課程教學(xué)實踐性強(qiáng)、流程復(fù)雜、設(shè)備抽象的特點,采用案例式、啟發(fā)式教學(xué)法,并充分發(fā)揮計算機(jī)仿真在教學(xué)中的作用,使設(shè)備結(jié)構(gòu)和運行流程真實展現(xiàn),讓教學(xué)內(nèi)容更具有吸引力,同時引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生對不同水質(zhì)的廢水處理工藝有全面、系統(tǒng)的認(rèn)識,樹立工程意識,提高分析問題能力。幾年來的教學(xué)實踐表明,這種教學(xué)模式不僅適用于提高不同專業(yè)背景研究生學(xué)習(xí)的效率,還有助于加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生綜合素質(zhì)的鍛煉。

廢水處理工程； 工程案例； 仿真模擬

全日制工程碩士課程教學(xué)既要學(xué)生掌握工程領(lǐng)域堅實的理論基礎(chǔ)和寬廣的專業(yè)知識,更要學(xué)生掌握解決工程實際問題先進(jìn)的技術(shù)方法、現(xiàn)代化的技術(shù)手段及靈活的工程管理方法。因此專業(yè)課設(shè)置兼顧學(xué)科和行業(yè)需求,注重理論聯(lián)系實際,充分反映工程前沿,突出實踐能力和職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。課程教學(xué)以實際工程應(yīng)用為導(dǎo)向,以未來工程人才需具備的綜合素養(yǎng)為目標(biāo),以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心[1-2]。

在我校研究生培養(yǎng)方案中,“廢水處理工程”作為環(huán)境工程專業(yè)的重要學(xué)位課程已經(jīng)開設(shè)了15年,但是近幾年來環(huán)境工程專業(yè)碩士招收專業(yè)范圍涉及多個相近學(xué)科,例如環(huán)境科學(xué)、資源與環(huán)境、應(yīng)用化學(xué)、材料化學(xué)、建筑給排水、能源化工、生物工程、林業(yè)工程等,學(xué)生之間本科專業(yè)差別大、基礎(chǔ)知識參差不齊,有些學(xué)生本科階段從來沒有接觸過水污染控制、廢水處理工程方面的知識,直接學(xué)習(xí)研究生教材中的理論性知識難度較大,教學(xué)效果不佳。為此在專業(yè)碩士課程“廢水處理工程”中進(jìn)行大膽改革,積極嘗試多元化教學(xué)[3],采用案例式、啟發(fā)式教學(xué)模式,將廢水處理的理論知識與工業(yè)應(yīng)用實例相結(jié)合,使理論知識形象化,進(jìn)而提高專業(yè)碩士的工程意識和綜合素養(yǎng)。

1 設(shè)備案例在工程意識培養(yǎng)中的應(yīng)用

研究生教學(xué)內(nèi)容更側(cè)重于知識的深度和專業(yè)化,在教學(xué)方式上更側(cè)重于討論性和研究性,在教學(xué)理念上更注重于研究意識、研究能力及創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力的逐步提升[4]。

案例教學(xué)法是教學(xué)研究與改革的重點,是一種具有啟發(fā)性和實踐性的教學(xué)方法[5]。通過課堂教學(xué)案例全面貫通知識點,實現(xiàn)從重視知識的傳授、智力的培養(yǎng)向重視能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變,從以學(xué)習(xí)知識為主的知識目標(biāo)向以學(xué)習(xí)方法為主的能力目標(biāo)轉(zhuǎn)變[6]。

“廢水處理工程”是一門與工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系的、涉及多學(xué)科的技術(shù)科學(xué)課程,這門課程的講授中要盡量突出工程性,注重對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。

例如：通過圖1讓學(xué)生觀察設(shè)備的特點,結(jié)合粗格柵的作用是將進(jìn)水中較大的懸浮物和漂浮物清除,分析應(yīng)用條件下處理效率及系統(tǒng)阻力的變化；通過圖2、表1生物反應(yīng)池的作用和運行狀況與設(shè)計參數(shù)的關(guān)系,可以直觀地引導(dǎo)學(xué)生觀察設(shè)備的特點、分析曝氣池的池形與曝氣方式的關(guān)系；通過圖3、表2二沉池的作用和運行狀況與設(shè)計參數(shù)的關(guān)系,引發(fā)學(xué)生重視實際設(shè)備運行過程中參數(shù)變化對處理效率的影響,從而提高學(xué)生的分析判斷能力,增強(qiáng)工程意識[7]。

圖1 回轉(zhuǎn)式粗格柵實例圖

圖2 生物反應(yīng)池實例圖

主要參數(shù)主要設(shè)備主要作用污泥負(fù)荷FW=0.25kgBOD5/(kgMLSS·d)混合液懸浮固體濃度/mg.L-1MLSS=2500污泥齡/dθ=5水力停留時間/hT=6.6低速水下攪拌器(16臺)膜式曝氣頭(11088個)它是污水處理廠的心臟,通過活性污泥的新陳代謝,去除以溶解態(tài)或膠體態(tài)存在的污染物

圖3 二次沉淀池實例圖

主要參數(shù)主要設(shè)備主要作用沉淀池直徑/mD=45有效水深/mH=4.6表面負(fù)荷/(m3m-2h-1)q=1.36停留時間/hT=2.9半橋中心傳動單管吸泥機(jī)(4臺)在相對靜止的狀態(tài)下,使從生物反應(yīng)池進(jìn)來的混合液發(fā)生泥水分離,污泥大部分回流到生物反應(yīng)池,上清液排入下一個處理單元。

注：進(jìn)出水形式為周邊進(jìn)水、周邊出水。

2 廢水處理工藝案例與工程意識培養(yǎng)

工程類研究生的培養(yǎng)往往缺乏與科技前沿的對接及現(xiàn)場解決實際問題專門化的訓(xùn)練[8]。研究生是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主體,學(xué)術(shù)基礎(chǔ)、研究興趣、思維特征等均是其能否自由創(chuàng)造、自主發(fā)展的重要因素。只有真正堅持以解決實際問題為導(dǎo)向,研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)才有肥沃的土壤和可持續(xù)發(fā)展的潛力。教學(xué)從問題情境出發(fā),激發(fā)學(xué)生的興趣和熱情,引導(dǎo)學(xué)生體會知識的形成與發(fā)展過程,加大對問題提出、問題背景、問題進(jìn)展的講解力度,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[9]。

為此增加實際廢水處理工藝案例,列舉出常用廢水處理工藝以及污水處理廠的常規(guī)流程,如圖4、圖5、圖6所示,使學(xué)生對工業(yè)廢水和城市污水處理有個總體印象。在單元處理工藝的基礎(chǔ)上,將各單元工藝進(jìn)行組合,構(gòu)成工業(yè)廢水和城市污水完整的處理工藝流程,使學(xué)生既了解基本原理,又體會到工程實踐應(yīng)用。案例教學(xué)[10]使學(xué)生將理論與實際結(jié)合到一起。

圖4 藍(lán)帶啤酒廠污水處理工藝流程圖

圖5 FGD廢水處理工藝流程圖

圖6 有機(jī)廢水預(yù)處理工藝流程圖

在教學(xué)過程中,注重將結(jié)構(gòu)、功能、性質(zhì)等相似的事物或流程進(jìn)行比較,使學(xué)生發(fā)現(xiàn)其中的特點和差異,找出相同點和不同點,以此來提升學(xué)生分析問題、表達(dá)問題的能力[11]。例如要求學(xué)生結(jié)合參考文獻(xiàn)進(jìn)行分析,歸納出不同廢水的水質(zhì)特點和主要處理工藝的優(yōu)缺點,幫助學(xué)生消化教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

3 仿真模擬案例在工程意識培養(yǎng)中的應(yīng)用

結(jié)合主講教師的科研項目和實驗結(jié)果分析工程案例,剖析技術(shù)關(guān)鍵和設(shè)計難點,做到以科研促教學(xué),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、參與性、主動性,提高學(xué)生應(yīng)用知識、運用理論的能力。將長期連續(xù)的分析檢測結(jié)果利用仿真技術(shù)全面模擬,體現(xiàn)了理論聯(lián)系實際,有助于學(xué)生在較短的時間內(nèi)樹立直觀、清晰的工程意識[12]。

計算機(jī)輔助教學(xué)可以根據(jù)教學(xué)的實際需要和效果,對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行動態(tài)的組織和修改,使其具有針對性和互動性,這樣能充分發(fā)揮學(xué)生主動思考的積極性,使教與學(xué)更好地結(jié)合。

計算機(jī)仿真作為對實際生產(chǎn)過程的等效描述,以其獨有的技術(shù)和效果為學(xué)生提供了一個良好的多渠道學(xué)習(xí)機(jī)會及訓(xùn)練創(chuàng)造性思維的氛圍[13-14],使他們在模擬的生產(chǎn)過程環(huán)境中,通過對各個開關(guān)、閥門、設(shè)備的操作,通過對工藝參數(shù)進(jìn)行全面的控制和調(diào)節(jié)、通過由于操作不當(dāng)而引發(fā)的各種事故現(xiàn)象,體驗到工業(yè)廢水和城市污水處理系統(tǒng)的多變性和復(fù)雜性,從而形成深刻的感性認(rèn)識,加深對知識的理性認(rèn)識。計算機(jī)仿真既能補(bǔ)充在實際操作中難以完成的實驗教學(xué)內(nèi)容,又能降低廢水處理工程實驗的運行、維護(hù)成本,同時也能讓環(huán)境工程專業(yè)的研究生更好地了解廢水處理工程實驗內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)理和工藝過程[15]。

為此用Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺配合FLASH 模擬了海水淡化工藝流程、電廠鍋爐補(bǔ)給水處理工藝流程(見圖7),連續(xù)床吸附工藝流程見圖8。通過這些模擬圖,可以動態(tài)顯示變化過程,讓學(xué)生形象、直觀地看到設(shè)備運行過程和最終效果,對處理工藝流程形成清晰的思路,加深對知識點的認(rèn)識,增加學(xué)習(xí)趣味性,提高學(xué)習(xí)效果。

圖7 電廠補(bǔ)給水處理工藝流程圖

圖8 吸附工藝流程圖

還利用VB開發(fā)工具制作新技術(shù),例如膜生物反應(yīng)器處理生活污水的仿真實驗軟件。該工藝可有效降解生活廢水中的氨氮和有機(jī)物,在缺氧段和活性污泥回流系統(tǒng)氨氮硝化效果得到提高；可通過控制溶解氧,使氨氮在好氧段發(fā)生亞硝化反應(yīng)；可通過污泥回流,使亞硝酸鹽在缺氧段發(fā)生反硝化反應(yīng),產(chǎn)生氮氣并消耗部分有機(jī)污染物,實現(xiàn)脫氮功能。膜的高效截留作用使污泥濃度達(dá)到較高水平,增加去除氨氮和有機(jī)物的效果,提高產(chǎn)水水質(zhì)。由于采用了膜組件來實現(xiàn)泥水分離,膜生物反應(yīng)器中的水力停留時間和污泥停留時間不再相互影響,生物反應(yīng)器中的污泥濃度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)活性污泥處理工藝,因此可以得到更高的去除率。

但是學(xué)生對該技術(shù)認(rèn)識模糊,較難區(qū)分膜池與傳統(tǒng)的A/O池,即便是到現(xiàn)場參觀也只能看到設(shè)備的表面運行,對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備相互關(guān)系認(rèn)識不到。因此課題組以Visual Basic 6.0為主要設(shè)計工具開發(fā)了二校區(qū)中水站的仿真界面,見圖9。圖中的紅色箭頭表示污水的流向：經(jīng)提升泵房(沉砂池)、調(diào)節(jié)池、厭氧池、膜池進(jìn)入中水池。經(jīng)過處理后的污水經(jīng)中水供水管線送至用戶。

圖9 二校區(qū)中水站流程圖(俯視圖)

學(xué)生在仿真系統(tǒng)上可以沿著物料流動的方向了解污水處理的基本過程,與現(xiàn)實中各單元操作有機(jī)地結(jié)合起來,強(qiáng)化學(xué)生對水處理過程整體性的認(rèn)識。學(xué)生還可以通過熟悉各工序的動態(tài)流程,加深對所學(xué)過的有關(guān)處理原理在實際中應(yīng)用的認(rèn)識和理解,并對影響處理效果的各種因素及優(yōu)化措施有進(jìn)一步的認(rèn)識,通過對比操作在認(rèn)識上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍[16]。

4 結(jié)語

計算機(jī)仿真系統(tǒng)充分利用了計算機(jī)技術(shù),具有圖、文、聲、形并茂,集視、聽、動手于一體的獨特優(yōu)點,通過模擬真實的廢水處理過程,使學(xué)生直觀感覺課程的生動有趣,激發(fā)起學(xué)習(xí)興趣,處于良好、積極主動的學(xué)習(xí)狀態(tài)[17]。通過案例教學(xué)有利于學(xué)生對課程理論、工程技術(shù)和設(shè)計知識的理解和掌握,強(qiáng)化工程意識和工程能力的培養(yǎng),提高解決實際工程問題的能力。

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Application of simulation case teaching method in Wastewater Treatment Engineering course

Wang Shuqin, Yin Daqi, Su Jinbo

(School of Environmental Science and Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Aiming at the characteristics of the strong teaching practice,the complicated process and equipment abstraction in Wastewater Treatment Engineering course,the case teaching method and heuristic teaching method are adopted,and the role of computer simulation in teaching is brought into full play. The methods can show the real equipment structure and operational process,and make the teaching content more attractive. At the same time,the students are guided and inspired to acquire a comprehensive and systematic understanding of the wastewater treatment process of different water qualities,set up the engineering consciousness and improve their ability of analyzing problems. The teaching practice over the past few years shows that this teaching mode is applicable not only to improve the efficiency of graduate study under different professional backgrounds,but also to strengthen the training of comprehensive quality of professional degree graduates.

wastewater treatment engineering； engineering case； analogue simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.044

2017-01-05

2017-03-09

工程教指委課題(2016-zx-088)；河北省教改項目(2016GJJG367)

王淑勤(1965—),女,河北定州,博士,教授,主要從事大氣和水污染治理技術(shù)方面的研究.

E-mail：wsqhg@163.com

G642.0

B

1002-4956(2017)07-0169-05