計(jì)算機(jī)仿真在環(huán)境工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)，基于數(shù)學(xué)模型的污水處理工藝仿真在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了使學(xué)生更好地適應(yīng)就業(yè)要求，在環(huán)境工程畢業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入了基于計(jì)算機(jī)仿真的數(shù)學(xué)模型分析環(huán)節(jié)以使學(xué)生更好的將理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合。實(shí)踐證明，在環(huán)境工程畢業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真分析這一現(xiàn)代化的教學(xué)手段，有效提升了實(shí)習(xí)的針對(duì)性和系統(tǒng)性，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；污水處理；實(shí)踐教學(xué)；仿真

作者簡(jiǎn)介：周振（1981-），男，山東臨沂人，上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，副教授；張萍（1960-），女，上海人，上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，副教授。（上海 200090）

基金項(xiàng)目：本文系上海市教委精品課程《給水處理工程》、上海電力學(xué)院研究生課程建設(shè)、上海電力學(xué)院培英計(jì)劃的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）05-0186-02

作為以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的環(huán)境工程專業(yè)，畢業(yè)實(shí)習(xí)是其實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，可加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解與掌握，提高學(xué)生利用理論知識(shí)分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力。[1，2]其中，污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)通常是環(huán)境工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容。現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)需要了解污水處理工藝、控制過(guò)程和運(yùn)行管理措施，但由于實(shí)踐教學(xué)存在時(shí)間緊、現(xiàn)場(chǎng)介紹直觀但不夠系統(tǒng)等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)往往流于表面，缺乏對(duì)污水處理系統(tǒng)的全面了解，更無(wú)從談起實(shí)際運(yùn)行管理與理論知識(shí)的結(jié)合。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各領(lǐng)域的專業(yè)教學(xué)，如自動(dòng)化、[3]水電機(jī)組監(jiān)測(cè)與故障診斷[4]等。目前，計(jì)算機(jī)仿真在環(huán)境工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用偏重于運(yùn)行演示，[5]缺乏與實(shí)際污水處理廠的關(guān)聯(lián)及運(yùn)行管理原理分析。本文擬在畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中引入國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)推薦并經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的活性污泥模型（ASM）[6，7]和污水處理專業(yè)仿真軟件WEST，[8]建立典型工程案例的污水處理工藝模型，通過(guò)整體介紹與細(xì)節(jié)分析讓學(xué)生掌握污水處理中的關(guān)鍵運(yùn)行控制變量，讓學(xué)生目的明確、全面深入的了解污水處理過(guò)程和運(yùn)行特性。

一、污水處理系統(tǒng)仿真軟件概述

污水處理系統(tǒng)仿真軟件一般由動(dòng)力學(xué)模型、模型表達(dá)、參數(shù)校正、數(shù)值分析、數(shù)據(jù)表達(dá)和用戶界面等模塊組成。[7，9]在污水處理領(lǐng)域，用于數(shù)學(xué)模擬的軟件可分為四個(gè)層次：[7，9]一是電子數(shù)據(jù)表，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)針對(duì)普通微分方程的簡(jiǎn)單數(shù)字程序；二是低端通用型語(yǔ)言（如FORTRAN、C、Basic等），創(chuàng)建模型的靈活性最高，但耗時(shí)費(fèi)力；三是通用仿真軟件（如Mathematica、MATLAB等），能夠執(zhí)行模型運(yùn)算，可從網(wǎng)上下載；四是專業(yè)仿真軟件（如BioWin、WEST等），主要由預(yù)定義的工藝模型單元庫(kù)構(gòu)成。

WEST3.7.5將用于本文污水處理系統(tǒng)仿真和工藝分析。WEST軟件是由比利時(shí)Hemmis公司與Ghent大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的、用于污水處理工藝動(dòng)態(tài)模擬的專業(yè)仿真軟件。通過(guò)引入組件單元（如活性污泥反應(yīng)器、沉淀池、傳感器等），軟件可幫助用戶使用分級(jí)圖形編輯器構(gòu)建模擬對(duì)象，并建立組件單元間的關(guān)聯(lián)；后臺(tái)模型庫(kù)中提供了大量的組件模型以供選擇。軟件為高級(jí)用戶提供了二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)MSL數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)模型庫(kù)的自定義擴(kuò)展。WEST軟件目前在歐洲、北美、亞洲和澳大利亞擁有許多用戶，在工業(yè)廢水和生活污水處理領(lǐng)域均有應(yīng)用。

二、模擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

目前上海市共有53家城鎮(zhèn)污水處理廠，其工藝包括厭氧/缺氧/好氧、缺氧/厭氧/好氧、氧化溝、Unitank、MSBR等，千差萬(wàn)別的工藝使學(xué)生在多家污水處理廠的參觀實(shí)習(xí)過(guò)程中很難把握其本質(zhì)。因此，針對(duì)不同處理規(guī)模、工藝差別較大、處理目標(biāo)不盡相同的污水處理廠，如何提煉污水處理運(yùn)行管理中具有普遍規(guī)律性的內(nèi)容并掌握應(yīng)用就成為畢業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)的重點(diǎn)。

由于大部分城市污水處理系統(tǒng)均采用二級(jí)生物處理工藝，通常涉及到厭氧、缺氧、好氧和固液分離4個(gè)處理過(guò)程，以滿足COD降解、懸浮固體去除、硝化、反硝化和強(qiáng)化生物除磷的需要，因此引入ASM模型對(duì)典型生物處理系統(tǒng)進(jìn)行研究將具有普適性的意義。此外，對(duì)污水處理廠能夠進(jìn)行調(diào)控的操作變量進(jìn)行梳理，可概括出污水生物處理系統(tǒng)的6大操作變量：進(jìn)水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧設(shè)定值。為此，可通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)操作變量進(jìn)行詳細(xì)分析，以得到不同運(yùn)行參數(shù)下影響污水處理廠出水各指標(biāo)的最佳調(diào)控變量。典型的計(jì)算機(jī)仿真工藝流程[8]如圖1所示。

在計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)過(guò)程中，兼顧了系統(tǒng)整體介紹和細(xì)節(jié)分析，既通過(guò)仿真分析介紹了控制變量對(duì)出水水質(zhì)的影響，又通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型分析解釋了污水處理廠控制參數(shù)設(shè)置的合理性。如參觀污水處理廠的溶解氧設(shè)定范圍為2～3mg/L，為了有助于學(xué)生分析其設(shè)定范圍的合理性，在實(shí)習(xí)過(guò)程中引入了ASM中開(kāi)關(guān)函數(shù)的概念，并通過(guò)模型演示介紹了溶解氧對(duì)反應(yīng)速率的影響（見(jiàn)圖2）。通過(guò)相關(guān)的模擬仿真分析，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)過(guò)程中污水處理過(guò)程工藝控制的認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的融會(huì)貫通。

為了更好地突出數(shù)學(xué)模型仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，在畢業(yè)實(shí)習(xí)過(guò)程中，首先給學(xué)生布置部分問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)。待完成現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)后，要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)內(nèi)容總結(jié)，數(shù)學(xué)模型仿真與實(shí)例分析安排在實(shí)習(xí)內(nèi)容總結(jié)之后。在計(jì)算機(jī)仿真演示之外，要求學(xué)生結(jié)合專業(yè)知識(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行估計(jì)。與此同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)學(xué)模型計(jì)算對(duì)實(shí)習(xí)過(guò)程中參觀污水處理廠的工藝特點(diǎn)和存在問(wèn)題進(jìn)行分析。

在工程實(shí)例分析中，選取上海市的典型污水處理廠氨氮去除效率高但出水總磷濃度過(guò)高的案例進(jìn)行分析，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析提出運(yùn)行管理建議?？紤]到氨氮和總磷的協(xié)同達(dá)標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)模擬仿真分析建議增加排泥量降低系統(tǒng)污泥齡以有效降低出水總磷，并適當(dāng)降低好氧曝氣過(guò)程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干擾反硝化和厭氧釋磷，這也有助于降低出水總磷濃度。

三、實(shí)踐教學(xué)效果分析與建議

實(shí)踐表明，將計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)與污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)結(jié)合，能收到很好的實(shí)習(xí)效果。與傳統(tǒng)的參觀實(shí)習(xí)方式相比，計(jì)算機(jī)仿真作為對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的等效描述，能以其獨(dú)有的技術(shù)和效果為學(xué)生提供一個(gè)良好的多通道學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和訓(xùn)練創(chuàng)造性思維的氛圍。通過(guò)系統(tǒng)性的對(duì)污水處理工藝過(guò)程進(jìn)行描述分析，學(xué)生能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)參觀實(shí)習(xí)的感性認(rèn)識(shí)上升到系統(tǒng)分析的理性認(rèn)識(shí)高度。仿真操作不僅可以使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，也可以為他們的思維提供一個(gè)寬廣的空間。計(jì)算機(jī)仿真分析的工藝流程演示有助于學(xué)生樹(shù)立起全局觀念和學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，這是因?yàn)榉抡娣治鲂枰孟到y(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)污水處理工藝的運(yùn)行管理及可能達(dá)到的效果和出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，要求運(yùn)用所需知識(shí)探索各種參數(shù)之間的相互影響，才能得出最佳的運(yùn)行管理效果。

從2011年和2012年的畢業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)效果來(lái)看，基于數(shù)學(xué)模型的污水處理工藝仿真演示對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量有非常明顯的效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力都得到了較大的提高。從學(xué)生實(shí)習(xí)報(bào)告的質(zhì)量來(lái)看，對(duì)工藝流程和單元模塊作用的分析較以往深入，對(duì)實(shí)習(xí)過(guò)程中問(wèn)題的回答方向性也更為明確。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用的前提是對(duì)相關(guān)模型的深入了解，但目前教學(xué)環(huán)節(jié)中尚缺乏對(duì)污水處理數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)講授，這就造成學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)模型與結(jié)果分析的理解較為吃力。因此，在實(shí)踐教學(xué)中簡(jiǎn)化了建模與模型分析的步驟，要求學(xué)生集中更多精力用于模型結(jié)果的分析。另外，由于數(shù)學(xué)模型仿真分析是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力的工作，在2011年和2012年畢業(yè)實(shí)習(xí)引入計(jì)算機(jī)仿真分析時(shí)，僅采用多媒體課件的形式進(jìn)行結(jié)果的分析演示，今后將考慮分步驟引入案例小組討論、模擬仿真分析實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

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（責(zé)任編輯：孫晴）