從混凝工藝的實(shí)踐環(huán)節(jié)看給水排水工程應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

曹長(zhǎng)春，曾鴻鵠，林 華

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院給水排水工程室，廣西桂林541004)

給水排水工程專業(yè)作為給水排水行業(yè)高級(jí)人才培養(yǎng)和科技發(fā)展的重要支撐，伴隨著國(guó)家建設(shè)與給水排水行業(yè)的發(fā)展，專業(yè)的內(nèi)涵逐步豐富，外延不斷拓展，專業(yè)的研究對(duì)象已從城市基礎(chǔ)設(shè)施拓展為水的社會(huì)循環(huán)。專業(yè)面臨的主要任務(wù)已從“以水量為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八|(zhì)水量并重，以水質(zhì)為核心”。專業(yè)基礎(chǔ)由力學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)、生物學(xué)和水力學(xué)，并在大量融入現(xiàn)代生物工程、化學(xué)工程、材料工程等領(lǐng)域最新成果基礎(chǔ)上，不斷向高新技術(shù)方向發(fā)展，形成了具有自身特點(diǎn)的學(xué)科理論體系和工程技術(shù)體系。城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施對(duì)給水排水工程專業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，以水的良性社會(huì)循環(huán)為目標(biāo)的給水排水行業(yè)正在迅速發(fā)展。及時(shí)跟蹤給水排水行業(yè)的發(fā)展，不斷完善培養(yǎng)方案與課程體系，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的高級(jí)專業(yè)人才，作為給水排水行業(yè)的人才培養(yǎng)方案，專業(yè)教育必須加強(qiáng)與充實(shí)相關(guān)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容，加快專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容的更新與整合，開拓適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的新課程;突出創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)中的作用。本文以水質(zhì)工程學(xué)中混凝工藝為例，來(lái)說(shuō)明這些環(huán)節(jié)的聯(lián)系與關(guān)聯(lián)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)現(xiàn)是非常有用的。

一 混凝工藝的理論與不同層次實(shí)踐環(huán)節(jié)

1.混凝工藝的理論要點(diǎn)

原水中通常存在大量的膠體顆粒，是水體混濁的一個(gè)重要原因，膠體顆?？孔匀怀恋硎遣荒艹サ?，膠體顆粒之間的靜電斥力，膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)及膠粒表面的水化作用，使得膠粒具有分散穩(wěn)定性，三者中以靜電斥力的影響最大。向水中投加混凝劑能提供大量的正離子，壓縮膠團(tuán)的擴(kuò)散層，使ξ電位降低，靜電斥力減小，此時(shí)布朗運(yùn)動(dòng)由穩(wěn)定因素轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定因素，也有利于膠粒的吸附凝聚。水化膜中的水分子與膠粒有固定聯(lián)系，具有彈性和較高的粘度，把這些水分子排擠除去需要克服特殊的阻力，阻礙膠粒的直接接觸。有些水化膜的存在決定于雙電層狀態(tài)，投加混凝劑降低ξ電位，有可能使水化作用減弱?；炷齽┧夂笮纬傻母叻肿游镔|(zhì)或直接加入水中的高分子物質(zhì)一般具有鏈狀結(jié)構(gòu)，在膠粒與膠粒之間起吸附架橋作用，即使ξ電位沒(méi)有降低或降低不多，膠粒不能相互接觸，通過(guò)高分子鏈狀物吸附膠粒，也能形成絮凝體。消除或降低膠體顆粒穩(wěn)定因素的過(guò)程叫做脫穩(wěn)，脫穩(wěn)后的膠粒，在一定的水力條件下，形成較大的絮凝體，俗稱礬花，直徑較大且密實(shí)的礬花容易沉淀，以上這些要點(diǎn)是混凝工藝的理論知識(shí)點(diǎn)。光課堂上講這些學(xué)生們理解和掌握起來(lái)是有困難的，比較抽象。教學(xué)計(jì)劃中，配有相應(yīng)的理論課后實(shí)驗(yàn)—混凝實(shí)驗(yàn)。

2.混凝工藝的課程實(shí)驗(yàn)

混凝工藝課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容:確定實(shí)驗(yàn)?zāi)z體顆粒水樣的最佳投藥量、觀察絮凝體(礬花)的形成過(guò)程及混凝沉淀效果。基本要求是:通過(guò)觀察絮凝體(礬花)的形成過(guò)程及混凝沉淀效果，加深對(duì)混凝原理的理解。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，確定原水樣的混凝劑最佳投藥量、最佳pH值等最佳混凝條件。目的是通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，加深混凝機(jī)理和脫穩(wěn)方式的理解，同時(shí)對(duì)原水中的濁度、酸堿度、混凝劑等也有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，但這是經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程后對(duì)所學(xué)的混凝工藝有了一個(gè)體會(huì)，教改之前的實(shí)踐環(huán)節(jié)就到此為止了，沒(méi)有進(jìn)一步的深化。

3.混凝工藝的綜合性實(shí)驗(yàn)

混凝工藝綜合性實(shí)驗(yàn)是教材大綱規(guī)定內(nèi)容的延伸，實(shí)驗(yàn)來(lái)自于給水處理工程實(shí)際，地表水源中的腐殖酸在南方地區(qū)普遍存在，傳統(tǒng)混凝工藝主要據(jù)天然水體中的二氧化硅膠體和高嶺土顆粒的存在而設(shè)計(jì)，與實(shí)際的給水處理?xiàng)l件相距甚遠(yuǎn)，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)南方地表水源中普遍存在的腐殖酸組分，通過(guò)腐殖酸與二氧化硅、高嶺土膠體相互作用，再與混凝劑相互作用，這個(gè)接近真實(shí)的條件下，讓學(xué)生們?cè)賹?duì)工藝過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果沒(méi)有事前設(shè)定，據(jù)實(shí)驗(yàn)后得出。并要求學(xué)生們自已課外去提取源水中的腐殖酸，然后洗脫濃集，經(jīng)紅外掃描和紫外分光光度計(jì)、總有機(jī)碳分析后，測(cè)其不同的官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)和含量，其高嶺土、二氧化硅混合后，對(duì)混凝劑的投加量和絮凝效果有顯著的影響，實(shí)驗(yàn)建立在飲用水處理的微污染現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上，同時(shí)又對(duì)傳統(tǒng)的混凝實(shí)驗(yàn)有新的內(nèi)容，完成其工作有實(shí)用意義。飲用水中天然有機(jī)物——腐殖酸的存在形式、親水憎水性能、電性、分子大小等性能對(duì)混凝沉淀有重要影響，尤其是其與高嶺土和二氧化硅作用后的性質(zhì)復(fù)雜化，最近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外水處理界對(duì)其研究非常重視，桂林漓江地處南方，源水中腐殖酸含量比較豐富，研究其存在形式及性能對(duì)混凝工藝效能的影響，既有理論意義，同時(shí)也是與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，對(duì)給水處理工藝的改進(jìn)有指導(dǎo)作用。顯然，本綜合實(shí)驗(yàn)是在課程規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上的延伸，但這個(gè)延伸并不是不可想象，而是來(lái)自于實(shí)際，所碰到的問(wèn)題經(jīng)學(xué)生努力后是可以解決的，但要求學(xué)生們必須看這方面的文獻(xiàn)資料，從專業(yè)期刊上可以獲取但教材上沒(méi)有提到的知識(shí)，再把它變成自已的體驗(yàn)和收獲。學(xué)生經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)后，對(duì)理論學(xué)習(xí)、理論與實(shí)際相結(jié)合等空洞的東西有了體會(huì)。

4.混凝工藝的創(chuàng)新計(jì)劃訓(xùn)練

在混凝工藝基本實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目——水體腐殖酸和重金屬鎘絡(luò)合作用對(duì)混凝工藝的影響。作為重金屬離子，在水溶液中采用常規(guī)的沉淀工藝是難以去除的，廣西是有色金屬資源大省，在采礦、選礦、冶煉過(guò)程中，重金屬對(duì)水源的污染是常見的狀況。結(jié)合廣西飲用水源遇到的新問(wèn)題，研究相應(yīng)的技術(shù)方案與對(duì)策。廣西是有色金屬錫鉛鋅鎘的資源大省，眾多礦產(chǎn)資源的開發(fā)基本都位于城鎮(zhèn)居民生活飲用水取水河流的源頭。大量尾礦廢水長(zhǎng)期以來(lái)的排放、溢流，不僅降低了天然有機(jī)物對(duì)重金屬的容納能力，還會(huì)源源不斷地釋放重金屬元素，這是飲用水安全的重大潛在威脅。廣西屬亞熱帶季風(fēng)氣候，非常適合地表和水體植物的生長(zhǎng)，形成了豐富的地表腐殖質(zhì)，其對(duì)重金屬的絡(luò)合有重大作用。研究腐殖酸對(duì)重金屬的絡(luò)合對(duì)常規(guī)混凝工藝運(yùn)行影響，對(duì)現(xiàn)運(yùn)行水處理工藝的改進(jìn)(調(diào)整)就顯得十分必要。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的研究，深入了解重金屬離子與腐殖酸絡(luò)合并吸附于顆粒物(主要是開礦產(chǎn)生的高嶺土)機(jī)理，投加混凝劑后的凝聚絮凝機(jī)理，研究聚合氯化鋁用量、pH值、腐殖酸濃度，離子強(qiáng)度對(duì)腐殖酸和金屬離子的去除效果的影響，確定運(yùn)行中的聚合氯化鋁參考最佳用量，為受微污染飲用水源的水質(zhì)安全提供技術(shù)。

利用腐殖酸(HA)本身具有同金屬離子絡(luò)合并且以膠體形式廣泛存在于天然水體、生活用水和工業(yè)廢水中的特點(diǎn)，分別對(duì)腐殖酸與聚合氯化鋁絮凝劑協(xié)同作用處理水中重金屬離子污染物的可行性進(jìn)行了研究。為腐殖酸應(yīng)用于工業(yè)重金屬污染物的處理影響提供了相關(guān)分析和理論依據(jù)。在微小顆粒物存在條件下，利用絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)、天然腐殖酸(HA)同時(shí)作用去除水體重金屬離子Cd2+，從而達(dá)到更徹底去除水體中該重金屬離子的目的。分別就PAC和HA用量、pH值條件、顆粒物含量、離子強(qiáng)度，對(duì)上述金屬離子的去除作用等進(jìn)行了系統(tǒng)研究;探討了PAC和HA共存條件下重金屬絡(luò)合絮凝沉降的機(jī)理。發(fā)現(xiàn)采用HA先絡(luò)合并吸附于微小顆粒物再用PAC絮凝的方法只要在不同的酸度條件下嚴(yán)格控制絮凝劑的用量在相應(yīng)的最佳絮凝區(qū)間就可以達(dá)到對(duì)于水體中重金屬離子有很好的去除作用效果，對(duì)給水處理有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

該課題則在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上更進(jìn)了一步，主要的知識(shí)點(diǎn)還是混凝工藝，但條件不同了，課程實(shí)驗(yàn)一切皆在控制之中，從實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)結(jié)論都是成熟的東西，學(xué)生只是驗(yàn)證性的、重復(fù)性的做做而已，當(dāng)然了也加深了所學(xué)的理論知識(shí)。但對(duì)學(xué)生而言缺少挑戰(zhàn)性，也是學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的原因之一。混凝的綜合性實(shí)驗(yàn)把原水條件放到真實(shí)的環(huán)境中，要研究腐殖酸與顆粒物的相互作用，然后才是與混凝劑的相互作用，這個(gè)復(fù)雜性高多了，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)論也因樣品不同而不同，帶有研究的性質(zhì)，有不確定性。實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)性加大了，但并非不可克服，只要學(xué)生花點(diǎn)時(shí)間，閱讀點(diǎn)相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)已掌握的理論進(jìn)行變通，完全可以做好?；炷膭?chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃則在綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合地方的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中遇到的問(wèn)題提出解決辦法與方案，學(xué)以致用，真正進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。我們知道，2011年1月15號(hào)，發(fā)生于廣西柳江上游的龍江重金屬鎘污染事件震驚中外，影響巨大，下游城市柳州的生活飲用水源關(guān)閉，整個(gè)城市的社會(huì)生活秩序都受到影響。作為給水排水工程專業(yè)的學(xué)生，市政給水的處理和安全飲用水的供應(yīng)是義不容辭的責(zé)任，以此為背景，在調(diào)研了國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)后提出了腐殖酸螯合重金屬鎘，再對(duì)其混凝沉淀的課題，同學(xué)們也興趣濃，激積性高，目前課題研究試驗(yàn)工作正在進(jìn)行中。

二結(jié)論

應(yīng)用型工程技術(shù)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是社會(huì)和學(xué)校的共識(shí)，實(shí)踐教學(xué)是給水排水工程專業(yè)教學(xué)中的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的作用與功能是理論教學(xué)所不可替代的。從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面看，科學(xué)設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新計(jì)劃訓(xùn)練型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使其相互銜接，逐漸深化，理論與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)自于工程實(shí)際等對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)是有效的。從工程應(yīng)用能力方面看，把課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)結(jié)合起來(lái)，結(jié)合工程實(shí)踐做畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生的工程能力會(huì)相應(yīng)提高。

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