盛 力，沈 洪，施鼎方，徐竟成

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程實(shí)驗教學(xué)中心，上海 200092)

0 引 言

與許多其他的工科專業(yè)課一樣，水處理相關(guān)課程所涉及的是理論與實(shí)際聯(lián)系特別緊密的一門知識。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)只能達(dá)成掌握基本理論的目標(biāo)，對水處理工藝技術(shù)的深入理解和認(rèn)識要在工藝實(shí)驗和工程實(shí)踐過程中才能獲得。而常規(guī)實(shí)驗教學(xué)，教學(xué)內(nèi)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(xùn)練也非常有限。要加強(qiáng)教學(xué)與實(shí)際的聯(lián)系，實(shí)驗形式亟需改革[1-6]。本文以強(qiáng)化教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的銜接為目標(biāo)，借助信息技術(shù)，嘗試將水處理仿真實(shí)驗、虛擬實(shí)訓(xùn)與實(shí)驗室真實(shí)實(shí)驗、在線真實(shí)實(shí)驗相結(jié)合，讓不同層次內(nèi)容和難度的實(shí)驗、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)協(xié)同作用，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1 影響專業(yè)知識與實(shí)際應(yīng)用銜接的因素

1.1 工藝過程歷時長、穩(wěn)定性要求高的實(shí)驗不易開設(shè)

一些工藝過程，尤其是生物處理工藝，微生物發(fā)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(zhì)污染指標(biāo)的測定也要花費(fèi)一定的時間。而要把微生物系統(tǒng)培養(yǎng)馴化至具有穩(wěn)定處理效能的狀態(tài)，需要幾天甚至幾十天的時間。這一類工藝的實(shí)驗即使縮小運(yùn)行規(guī)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(guī)教學(xué)過程中很難實(shí)現(xiàn)。

1.2 實(shí)驗教學(xué)內(nèi)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(guān)系復(fù)雜。教學(xué)實(shí)驗由于時間場地限制，內(nèi)容只能涵蓋工藝?yán)碚摰哪骋粋€小小的局部，實(shí)驗條件參數(shù)較為單一、變化少，不能展現(xiàn)各因素協(xié)同作用下，工藝效能的全貌。而且小型模型或杯罐實(shí)驗與實(shí)際水處理過程狀態(tài)差異巨大，實(shí)際過程水質(zhì)成分復(fù)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(fā)生的物理、化學(xué)、生化反應(yīng)過程產(chǎn)生巨大的影響，因此實(shí)驗結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差異。

1.3 工藝實(shí)現(xiàn)所需知識技能之間缺乏串連

水處理過程是在一定規(guī)模的反應(yīng)器中發(fā)生的，由機(jī)電設(shè)備驅(qū)動和控制水中雜質(zhì)的物理化學(xué)變化過程。由此可見，水處理工藝目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是以一定的水處理設(shè)施、機(jī)械為物質(zhì)基礎(chǔ)的，水處理效果與處理構(gòu)筑物、泵閥風(fēng)機(jī)通用設(shè)備以及工藝專用設(shè)備的性能狀況直接相關(guān)。反應(yīng)器構(gòu)筑物、機(jī)械設(shè)備對水處理工藝的運(yùn)行效果至關(guān)重要。一般在教學(xué)中，工藝實(shí)現(xiàn)所需的通用和專用機(jī)械設(shè)備、運(yùn)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(dú)立，缺少進(jìn)行知識融匯貫通的環(huán)節(jié)。這樣就導(dǎo)致學(xué)生多方面知識不能綜合應(yīng)用，在實(shí)踐中還要花一定時間和精力重新整合。

上述因素給教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用銜接增加了難度。近年來，信息技術(shù)在實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛[7-10]，借助信息技術(shù)改進(jìn)實(shí)驗形式，為加強(qiáng)水處理教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的銜接以及多方面知識的綜合運(yùn)用提供了一條途徑。

2 虛實(shí)結(jié)合的常規(guī)實(shí)驗建設(shè)

污水的生物處理工藝原理復(fù)雜、形式多樣，前述問題較為突出。圍繞“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)，分別以常規(guī)實(shí)驗、拓展創(chuàng)新實(shí)驗、實(shí)訓(xùn)等教學(xué)形式設(shè)計仿真實(shí)驗、在線真實(shí)實(shí)驗和虛擬實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容，與真實(shí)實(shí)驗內(nèi)容相配合，使經(jīng)過這些教學(xué)過程的學(xué)生污水生物處理方面的專業(yè)實(shí)踐能力明顯提高。

2.1 真實(shí)實(shí)驗為主，虛擬仿真為輔，實(shí)驗內(nèi)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(jī)物，微生物的增殖和有機(jī)物的降解決定污水處理的效率。這部分內(nèi)容非常重要，但由于有機(jī)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(guī)實(shí)驗教學(xué)中進(jìn)行。故將內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，開設(shè)了“污水可生化性”“曝氣設(shè)備充氧性能”以及“污泥性能評價”等與活性污泥法相關(guān)的、能夠在常規(guī)教學(xué)時間內(nèi)完成的實(shí)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(xué)實(shí)驗卻不能在常規(guī)真實(shí)實(shí)驗中開出。

為此，設(shè)計建設(shè)了“活性污泥法動力學(xué)系數(shù)的測定”仿真實(shí)驗。實(shí)驗?zāi)M的場景為教學(xué)實(shí)驗室，畫面上操作的設(shè)備為實(shí)驗室使用的簡易模型和儀器設(shè)備，實(shí)驗原理涉及的是關(guān)于微生物生長和有機(jī)物降解比較基礎(chǔ)的經(jīng)驗方程或靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。學(xué)生通過上網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗操作，實(shí)驗過程與相關(guān)步驟圖文問答、實(shí)驗結(jié)果整理、報告生成等環(huán)節(jié)相互配合。上網(wǎng)不受時間地點(diǎn)限制，學(xué)生通過反復(fù)操作，對各項參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)下有機(jī)物降解和微生物繁殖的質(zhì)量平衡和動力學(xué)有一個整體的認(rèn)知。經(jīng)過仿真實(shí)驗和前述真實(shí)實(shí)驗的完成過程，學(xué)生對活性污泥法基本原理能夠獲得較為清晰、具象的認(rèn)識和一定程度的掌握。

2.2 在線連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗系統(tǒng)和污水處理模擬系統(tǒng)的建設(shè)

實(shí)際污水處理工藝的運(yùn)行是一個動態(tài)過程，水質(zhì)水量處于連續(xù)變化的狀態(tài)。在掌握活性污泥法基本原理的基礎(chǔ)上，了解認(rèn)識動態(tài)條件下工藝系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和主要影響因素作用趨勢，為實(shí)際工藝運(yùn)行管理和工程設(shè)計、改造、優(yōu)化做基本訓(xùn)練，就需要工藝連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗操作以及工藝參數(shù)模擬計算等方面的教學(xué)內(nèi)容。

(1)在線連續(xù)運(yùn)行工藝真實(shí)實(shí)驗系統(tǒng)。基本的動力學(xué)實(shí)驗與工藝實(shí)際應(yīng)用相比，還有很大的差異。這些差異主要體現(xiàn)在：①實(shí)際工藝中的污水水質(zhì)成分更多樣，各種成分對處理效果影響效應(yīng)復(fù)雜；②實(shí)際工藝需兼顧多項水質(zhì)指標(biāo)，COD、氮、磷、懸浮物等都要去除，而不是單一指標(biāo)，各項指標(biāo)的處理互有影響；③污水處理效果達(dá)標(biāo)要控制工藝運(yùn)行條件的多項參數(shù)，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(dá)到一個處理目標(biāo)往往需要幾個工藝環(huán)節(jié)的組合，各環(huán)節(jié)處理效果是相互影響的；⑤實(shí)際工藝運(yùn)行是連續(xù)的，污水在處理設(shè)施中不斷流動，水質(zhì)、水量也存在波動或突變的情況，微生物系統(tǒng)需要自我調(diào)節(jié)、重新穩(wěn)定。只有開展復(fù)雜水質(zhì)的工藝綜合實(shí)驗，才能了解多成分、多參數(shù)、組合工藝、連續(xù)運(yùn)行的實(shí)際工藝過程的一般規(guī)律和工藝運(yùn)行要點(diǎn)，為專業(yè)實(shí)踐做充分準(zhǔn)備。

接近實(shí)際的工藝系統(tǒng)綜合實(shí)驗耗時長、工作量大、內(nèi)容復(fù)雜，不能在常規(guī)實(shí)驗中完成。建設(shè)了在線工藝實(shí)驗系統(tǒng)，突破時空限制，讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上開展真實(shí)實(shí)驗[11-12]。系統(tǒng)由4部分組成：①工藝構(gòu)筑物模型系統(tǒng)，做為水處理工藝反應(yīng)器；②泵閥等機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成介質(zhì)推動、攪拌、供氧、污泥回流、排泥等工藝動作；③各類水質(zhì)、狀態(tài)參數(shù)傳感器、控制器，監(jiān)控工藝運(yùn)行狀況；④工藝運(yùn)行現(xiàn)場操控、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。學(xué)生絕大部分操作通過網(wǎng)絡(luò)遙控執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成，實(shí)驗數(shù)據(jù)和過程狀態(tài)通過傳感器獲得并在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，供學(xué)生參考。學(xué)生與實(shí)驗系統(tǒng)的互動在寢室、圖書館等上網(wǎng)場所，甚至手機(jī)上網(wǎng)都可以完成(見圖1)。這一系統(tǒng)使耗時連續(xù)幾天的實(shí)驗?zāi)軌蛴杀究粕谕卣箤?shí)驗、創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)來完成，讓學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的水處理過程，獲得真正的水處理技術(shù)實(shí)踐的體驗和實(shí)際工藝過程規(guī)律的認(rèn)知。

圖1 在線工藝真實(shí)實(shí)驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作界面

(2)污水處理模擬系統(tǒng)。污水處理工藝真實(shí)實(shí)驗?zāi)軌驑O大程度地做到理論聯(lián)系實(shí)際，但實(shí)驗耗時長、成本高、工作量大、參與人數(shù)有限，教學(xué)效果難以普及到所有的學(xué)生。要在短時間內(nèi)觀察到不同水質(zhì)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(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計算來獲得。

上述常規(guī)實(shí)驗題材的仿真實(shí)驗機(jī)理模型應(yīng)用的是本科教材中的靜態(tài)數(shù)學(xué)方程。傳統(tǒng)靜態(tài)模型因具有形式簡單、動力學(xué)參數(shù)測定和方程求解較方便等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，是水處理專業(yè)實(shí)踐的基礎(chǔ)。但長期實(shí)際應(yīng)用也表明，靜態(tài)模型無法解釋一些現(xiàn)象，不能準(zhǔn)確預(yù)測水質(zhì)水量、運(yùn)行參數(shù)變化引起的污泥系統(tǒng)自身的改變，對實(shí)際污水處理過程的計算有很大的局限[13]。

活性污泥動態(tài)模型研究和應(yīng)用是近幾十年來發(fā)展起來的新熱點(diǎn)[14-17]，國際水協(xié)組織各國專家合作研究，陸續(xù)推出了3套活性污泥數(shù)學(xué)模型并為行業(yè)所接受。動態(tài)模型的計算要依賴于計算機(jī)，已有幾種數(shù)學(xué)模型計算軟件得到一定范圍的應(yīng)用。選擇一種軟件做為污水處理工藝模擬計算工具，通過執(zhí)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(rèn)識(見圖2)。①設(shè)置與在線工藝真實(shí)實(shí)驗系統(tǒng)相同的工藝流程，并按初始設(shè)置計算處理效果；②計算結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗結(jié)果對比，用真實(shí)實(shí)驗數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型系數(shù)，使實(shí)驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致；③校準(zhǔn)后的模型確定后，依次單一改變進(jìn)水水量或COD、氨氮、總磷等水質(zhì)指標(biāo)以及供氧量、水溫、污泥回流量等條件參數(shù)，計算出水效果的改變及再穩(wěn)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(jīng)計算得出處理效果，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)直至得到技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的處理效果。上述模擬內(nèi)容中，工藝設(shè)置、參數(shù)校準(zhǔn)等相對復(fù)雜的操作，可由教師幫助完成，學(xué)生主要操作第3步內(nèi)容，便于快速上手，短時間內(nèi)獲得多種模擬結(jié)果，對一個特定活性污泥法工藝的動態(tài)運(yùn)行規(guī)律形成深入、全面的認(rèn)知。這個過程能大大加深學(xué)生對活性污泥法工藝原理的理解深度，鍛煉工藝系統(tǒng)運(yùn)行控制管理和工程設(shè)計優(yōu)化知識運(yùn)用，提升專業(yè)實(shí)踐技術(shù)水平。

圖2 動態(tài)污水處理過程模擬界面

2.3 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與真實(shí)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合

污水處理工藝?yán)碚撛谏a(chǎn)實(shí)際中付諸實(shí)現(xiàn)，工藝運(yùn)行狀態(tài)的保持、調(diào)整，還需要借助通用機(jī)械設(shè)備、專用工藝設(shè)備、處理構(gòu)筑物等附屬設(shè)施的動作執(zhí)行來完成。水泵、風(fēng)機(jī)、閥門等通用設(shè)備，由于在工藝中發(fā)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(jī)械設(shè)備選型的適合與否對工藝運(yùn)行效果有直接影響，構(gòu)筑物土建結(jié)構(gòu)與各類機(jī)械設(shè)備配合的合理性對工藝運(yùn)行管理便利性、安全性的影響也有很多實(shí)踐經(jīng)驗需要汲取，工藝附屬設(shè)施的實(shí)際使用涉及一些教材中沒有的知識。

實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)一直是本科生實(shí)踐環(huán)節(jié)的一部分，由于學(xué)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(chǎn)運(yùn)行的一些重要細(xì)節(jié)很難留下記憶?；诖?，本文取材于真實(shí)污水廠，以整個污水廠為虛擬場景，從水廠管理和運(yùn)行人員的角度展開畫面，建設(shè)了污水廠虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

系統(tǒng)表現(xiàn)內(nèi)容分為兩個部分。①污水廠三維實(shí)景，包括構(gòu)筑物、機(jī)械設(shè)備、現(xiàn)場就地控制操作設(shè)施(見圖3)?，F(xiàn)場泵閥機(jī)械設(shè)備能夠就地操作，并表現(xiàn)與操作對應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行和構(gòu)筑物上水面的不同狀態(tài)；構(gòu)筑物通過透視功能展示三維立體結(jié)構(gòu)以及水流狀態(tài)；構(gòu)筑物旁的說明板能夠通過文字和動圖對相關(guān)工藝進(jìn)行說明。②污水廠DCS控制系統(tǒng)虛擬場景，模擬污水廠集散控制系統(tǒng)對污水廠工藝總體運(yùn)行進(jìn)行控制(見圖4)。系統(tǒng)控制包括污水廠各個工藝環(huán)節(jié)設(shè)備的開關(guān)、啟停以及可變參數(shù)量的調(diào)整，并以此為條件得到相應(yīng)的處理效果。

系統(tǒng)工藝內(nèi)容為典型的活性污泥法處理工藝，機(jī)理模型以真實(shí)污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)為藍(lán)本，虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的操作對學(xué)生了解實(shí)際污水處理工程全貌，熟悉實(shí)際污水處理工藝管理發(fā)揮重要作用。

圖3 污水廠構(gòu)筑物、設(shè)備場景

圖4 污水廠DCS系統(tǒng)操作界面

3 結(jié) 語

通過虛擬仿真技術(shù)與真實(shí)實(shí)驗實(shí)訓(xùn)在內(nèi)容上互相結(jié)合，針對活性污泥法污水處理工藝，由常規(guī)真實(shí)實(shí)驗和仿真實(shí)驗打牢傳統(tǒng)靜態(tài)模型的理論基礎(chǔ)、由在線工藝實(shí)驗系統(tǒng)拓展創(chuàng)新實(shí)驗和污水處理動態(tài)過程模擬計算加深對污水處理系統(tǒng)動態(tài)過程機(jī)理規(guī)律的認(rèn)識、由虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)補(bǔ)強(qiáng)對污水處理實(shí)務(wù)的了解。通過3個層面虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐過程，學(xué)生對污水處理從理論到實(shí)際應(yīng)用做到全面銜接，明顯提升了專業(yè)知識的實(shí)際應(yīng)用能力。污水處理數(shù)學(xué)模型模擬系統(tǒng)是有效提高理論認(rèn)識水平的工具，其與虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)或在線實(shí)驗系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于實(shí)驗教學(xué)的方式方法值得深入探索。