基于虛擬仿真的污水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

劉加強(qiáng)　張建昆

摘 要 鑒于水處理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，結(jié)合現(xiàn)有的污水處理實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)裝置平臺，開發(fā)污水處理虛擬仿真教學(xué)軟件。通過虛擬仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，有利于加深學(xué)生對污水處理構(gòu)筑物的認(rèn)識和理解，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真；污水處理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0131-03

Abstract Firstly， the authors introduce the limitations of conven-tional experimental teaching in water treatment technology， combined

with the experimental platform of wastewater treatment， developed the virtual simulation teaching software in wastewater treatment. Through the virtual experiment instruction and experimental tea-ching deepen students understanding for wastewater treatment struc-

tures and improve the quality of teaching.

Key words virtual simulation； wastewater treatment； experimental teaching

1 引言

了解并掌握污水處理廠的工藝流程、設(shè)計(jì)方法和基本運(yùn)行參數(shù)，對給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生來說是十分重要的。隨著水環(huán)境污染的加劇，為達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)，水處理工藝變得越來越復(fù)雜，水處理工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行管理和優(yōu)化改造過程在教學(xué)中難以直觀體現(xiàn)，學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐過程中難以了解其內(nèi)部構(gòu)造原理。另外，實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在如下問題。

1）污染問題。因在水處理實(shí)驗(yàn)中需要用到各種各樣的化學(xué)藥劑，以致實(shí)驗(yàn)排放的廢水成分復(fù)雜，處理成本高。

2）經(jīng)費(fèi)問題。隨著技術(shù)進(jìn)步，一些新的水處理技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，由于經(jīng)費(fèi)問題，往往會造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新跟不上科技進(jìn)步的步伐，這就限制了做一些實(shí)驗(yàn)的可能性。另外，學(xué)生操作實(shí)體設(shè)備損耗較大，且實(shí)體設(shè)備價(jià)高、數(shù)量少，無法滿足學(xué)生人人動手操作的需求。

3）時(shí)間、空間問題。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，都要求學(xué)生在指定的地點(diǎn)、特定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生只能是被動地、不充分地準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，缺乏主動靈活性和重復(fù)性。

4）效率低[1]。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，人為性較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)操作過程的演示不夠全面及細(xì)致，實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)繁多，學(xué)習(xí)枯燥，效率不高。

因此，單純依靠課堂教學(xué)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的培養(yǎng)要求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，其中的每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致的教學(xué)要求和目的，它是虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識多方面結(jié)合的結(jié)晶[2]。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)對象都是以實(shí)物形態(tài)出現(xiàn)的，而在仿真實(shí)驗(yàn)中，不存在實(shí)物形態(tài)的實(shí)驗(yàn)工具與實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)過程主要是對虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備進(jìn)行操作[3]。在大數(shù)據(jù)背景下，水處理虛擬仿真通過對大量已有環(huán)境數(shù)據(jù)的建模和3D仿真設(shè)計(jì)，為水處理教學(xué)科研建立虛擬境界，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展水處理工程的實(shí)驗(yàn)操作，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化學(xué)生對水處理技術(shù)內(nèi)部機(jī)理的認(rèn)識，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[4]。

2 污水處理實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)裝置

污水處理實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)裝置具有一級物化處理、二級生物處理與三級深度處理等工段，具備SBR、UASB（EGSB）、氧化溝、A/O污水處理工藝、A2/O污水處理工藝、MBR、曝氣生物濾池等多處理單元，能夠?qū)崿F(xiàn)單一工藝或多種工藝的組合運(yùn)行。該裝置可根據(jù)用戶需要在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量及回流比；可進(jìn)行在線水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)反饋；可進(jìn)行容器內(nèi)液位監(jiān)控，并設(shè)置液位報(bào)警，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；可進(jìn)行自控/手控切換操作，方便調(diào)試。

該裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）處流流量：50～100 L/h。

2）工作電源：AC220V/380V±10%。

3）安全保護(hù)：具有漏電自動保護(hù)裝置。

4）進(jìn)水要求：SS<600 mg/L、COD<800 mg/L、BOD5<

300 mg/L、NH3-N<50 mg/L、TP<8 mg/L，pH值為6～8。

5）出水標(biāo)準(zhǔn)：出水SS、COD、BOD5、NH3-N、TP、pH等主要指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-

2002）》一級A排放要求。

工藝流程大致如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置的主要缺陷是：

1）裝置成本較高且占地面積大；

2）處理水量有限；

3）需要日常的運(yùn)行維護(hù)管理；

4）學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作受時(shí)間、空間的限制。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真軟件系統(tǒng)包括污水處理廠操作過程模擬，格柵池、沉淀池、厭氧/缺氧/好氧池等設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，污泥處理系統(tǒng)和污水處理能力分析等模塊，可以通過交互操作，簡便地模擬整個(gè)工藝流程內(nèi)不同進(jìn)水水質(zhì)水量對處理效果的影響，并可調(diào)整各單元處理設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)，討論不同設(shè)計(jì)參數(shù)與廢水處理效果之間的關(guān)系，顯示針對不同的進(jìn)水水質(zhì)和水量，各種運(yùn)行工況下，出水的水質(zhì)情況和整個(gè)系統(tǒng)的處理效率。虛擬仿真軟件界面如圖2～圖6所示。

通過虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可直觀了解整個(gè)污水處理廠的工藝流程，單元處理構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，污水脫氮除磷的基本原理和相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)以及污水處理廠污泥處理相關(guān)知識，掌握污水處理廠的設(shè)計(jì)要素和運(yùn)行條件。

4 結(jié)語

徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院基于現(xiàn)有污水處理實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)裝置平臺特點(diǎn)和數(shù)據(jù)資源條件，開發(fā)污水處理工藝流程虛擬仿真軟件，有力地解決和彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的缺陷和不足。虛擬仿真教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)很好的補(bǔ)充，應(yīng)充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)，使虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配合，做到虛實(shí)結(jié)合、相互輔助，不斷擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要注意課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之間的銜接。通過虛擬仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，有利于加深學(xué)生對水處理構(gòu)筑物的認(rèn)識和理解，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力，提高學(xué)校的本科生培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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