有機廢水處理綜合設計型實驗教學模式的探索與實踐

張 莉 畢亞凡 李 亮 關洪亮

（武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北武漢 430073）

根據教育部《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》中指出：“高等學校要重視本科教學的實驗環(huán)節(jié)”，“開設一批新的綜合性、設計性實驗”的要求［1］。課程組從2007年開始在部分學生中嘗試一種新的實驗教學模式，并逐步修改環(huán)境工程專業(yè)實驗教學大綱，形成了涵蓋基礎型實驗、綜合設計型實驗、創(chuàng)新型實驗三個層次的環(huán)境工程專業(yè)實驗課程體系。［1］

綜合設計型實驗教學，打破了專業(yè)課程界限，提倡知識融合，通過校內實驗教學示范中心等實踐教 學平臺，結合環(huán)境學科科研發(fā)展優(yōu)勢和特色，將先進的科研成果引入實驗教學，開設大型演示模擬工業(yè)實驗、儀器操作測試實驗，接近工程實際，并融進環(huán)境工程的新方法、新技術，盡量做到知識性、實用性和趣味性的統(tǒng)一［2］。

學生在實驗過程中必須掌握實驗研究基本思路、實驗過程設計方法，收集、整合各類信息的方法，自主開展實驗工作。

通過綜合設計型實驗教學，使學生全面掌握環(huán)境工程知識體系，激發(fā)學生的工程實踐應用能力與創(chuàng)新思維能力。

1 實驗內容

1.1 實驗對象

有機廢水：黃姜皂素廢水

進水水質：COD：30000－35000mg／L、SS：300－450mg／L、SO42－：9300mg／L、pH：0.4－1.5、色度3500倍。出水水質：達到《皂素工業(yè)水污染物排放標準》（GB20425－2006）限值標準。

1.2 實驗安排

參加方式：學生自主參與，老師指導為輔，分小組輪流進行，每小組6人。

時間安排：本實驗共15學時；5學時實驗準備，10學時進行污水處理。

實驗地點：國家級“環(huán)境與化工清潔生產實驗教學示范中心”。

2 綜合設計型實驗教學模式

2.1 創(chuàng)新專業(yè)實驗教學模式的內容、方式

（1）創(chuàng)新專業(yè)實驗教學模式的內容

三層次、六模塊：三層次是指基礎型、綜合設計型、創(chuàng)新型實驗三個層次，三層次實驗課課時比例為3∶2∶1。其中分別設置六個模塊。即基礎型實驗設置“三基”訓練、“單元操作”訓練兩個模塊，綜合設計型實驗設置“一級”訓練、“二級”訓練、“三級”訓練三個模塊，創(chuàng)新型實驗設置專題研究一個模塊。

（2）創(chuàng)新專業(yè)實驗教學方式

“實驗訓練、能力磨練、創(chuàng)新演練”三層次循序漸進的實驗教學，采取以學生動手操作實驗為主，輔以必要的課堂講授、自學、現場指導、質疑、綜合考查等手段，通過各種實驗的全面訓練，促使學生掌握環(huán)境工程基本的實驗技術，驗證和鞏固專業(yè)理論知識。

2.2 綜合設計型實驗教學

（1）綜合設計型實驗教學模式

綜合設計型實驗設置“一級”訓練、“二級”訓練、“三級”訓練三個模塊，其中“一級”訓練是指僅包含單門課程而設的課程式實驗，“二級”訓練是指包含一組相關核心課程和部分研究項目而設的課程和項目結合式實驗，“三級”訓練以研究項目為主而設的項目式實驗。在綜合設計型實驗中，以“一級”訓練為基礎，“二級”訓練為核心、“三級”訓練為提高，三級訓練螺旋遞進，由易到難，將核心課程教育與專業(yè)技能有機統(tǒng)一起來，通過綜合技能訓練，為提高學生為自主創(chuàng)新能力奠定基礎。

以有機廢水處理實驗為例，該課題來源教師科研項目，實驗中涉及了一組環(huán)境工程專業(yè)實驗（如以水污染控制工程為主，涉及環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境微生物、固體廢物處置等），屬于課程和項目結合式實驗，主要達到“二級”訓練的目的。

（2）綜合設計型實驗教學過程

有機廢水處理綜合設計型實驗從2007年以來，在四屆本科學生中，按照上述創(chuàng)新教學模式進行實驗。

在實驗過程中，各組學生根據老師提供的黃姜皂素廢水，結合自己收集的資料，確定實驗方案，組裝實驗設備，寫出實驗步驟，獨立完成實驗全過程，實驗過程如圖1。

（3）有機廢水處理綜合設計型實驗實例

學生獨立設計的實驗流程見圖2所示。黃姜皂素廢水酸度大，pH值在1.0左右，同時含有過量的硫酸根離子，生化處理前必須進行預處理。在中和反應槽中，廢水在攪拌的狀態(tài)下投加石灰乳直至中性，然后沉淀去除硫酸鈣。中和后的廢水進入ABR酸化槽，在酸化池中厭氧預酸化。預酸化出水流經內電解槽。自內電解出水進入IC反應器底部，在IC反應器內進行三階段兩相厭氧的末端代謝—產甲烷相。IC反應器出水經接觸氧化、混凝脫色處理后達到排放標準。

圖1 綜合設計型實驗教學過程

圖2 黃姜皂素廢水處理工藝流程

學生通過查閱大量廢水生物處理設備，并對其工藝參數和處理效果進行定量比較后，提出了較為創(chuàng)新的水解酸化池——ABR反應器，并利用團隊合作設計，自制該設備。其結構和原理：ABR酸化槽被垂直的導流板分隔成4個串聯(lián)的反應室，形成厭氧折流板反應器，廢水在反應室內沿導流板作上下折流流動，逐個通過各個反應室推流前進，在水流方向上形成彼此串聯(lián)的隔室。使其具有良好的微生物功能分區(qū)，同時整體的推流確保一定的底物濃度梯度，這就使得不同類型的厭氧發(fā)酵茵及其他厭氧微生物能夠在沿著各個隔室中順次實現分離，并在各自最優(yōu)條件下發(fā)揮功能、穩(wěn)定運行。實驗裝置見圖3。

圖3 ABR反應器結構示意

3 綜合設計型實驗教學效果

（1）實驗教學模式的綜合效果

綜合設計型實驗靠一個人是完不成的，需要同組的所有成員協(xié)同操作。通過2004級65人，2005級76人，2006級82人，2007級68人的強化綜合設計訓練，以問題為導向，開展研究式、討論式、團隊式教學，強化以工程實例為載體的案例教學。教學效果表1。

表1 近三年學生取得的教學成果

除此之外，2005級本科學生5人還參與《皂素工業(yè)水污染物排放標準》（GB20425－2006）的編制，他們通過對有機廢水處理實驗結果的重復性實驗，在教師指導下，處理實驗數據，總結實驗方法。

（2）專業(yè)課程的關聯(lián)效果

雖然本實驗是以水污染控制工程為主體實驗，但也涉及環(huán)境監(jiān)測實驗，如化學需氧量（COD）的測定——重鉻酸鉀法、氨氮（NH3－N）的測定——蒸餾和滴定法、色度的測定——稀釋倍數法、五日生化需氧量（BOD5）的測定——接種與稀釋法、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的測定——滴定法、污泥濃度（MLSS）的測定——重量法、懸浮物（SS）的測定——重量法等，并涉及環(huán)境微生物實驗，如固著型纖毛蟲如鐘蟲鏡檢、規(guī)則形狀的菌膠團鏡檢等，以及固體廢物處置實驗，如生物污泥的利用、脫色渣的處理等。

因此，有機廢水處理綜合設計型實驗將多門課程有機結合在一起，互相滲透，即解決了基礎型實驗盲目重復問題，又節(jié)省了實驗開支。

4 結 語

（1）綜合設計型實驗引導學生從注重“考試結果”向注重“學習過程”轉變，增強學生的學習主動性，提高學生的研究能力和工程實踐能力。

（2）綜合設計型實驗教學，打破了專業(yè)課程界限，提倡知識有機融合。

（3）通過三年綜合設計型實驗教學教學，培養(yǎng)了學生工程實踐能力，提高了學生畢業(yè)就業(yè)率。

1 楊國良.談工科實驗教學改革與創(chuàng)新的幾個方面［J］.實驗室科學，2006（8）：8～9.

2 張治國，鄭永紅.開放專業(yè)實驗室培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力［J］.實驗室研究與探索，2005，24（6）：109I10.