學(xué)生自主式校園污水調(diào)查及處理實驗探究

楊瑾 劉慧龍

【摘要】學(xué)生自主設(shè)計實驗方案是一種新型開放式的教學(xué)方式。通過自行設(shè)計實驗、完成實驗，學(xué)生可以鍛煉自主學(xué)習(xí)思考能力并且提高對實驗的積極性，進(jìn)而提高自身綜合素質(zhì)。同時，通過對校園污水的分布及成分進(jìn)行調(diào)查，研究出具體的污水治理方案，為污水治理決策提供建設(shè)性處理方案。

【關(guān)鍵詞】學(xué)生自主實驗 方案設(shè)計 污水處理

【基金項目】1.武漢大學(xué)實驗技術(shù)項目：電氣浮-絮凝及電氧化還原實驗系統(tǒng)研制（項目編號：600400009）；2.武漢大學(xué)2017年開放試驗項目。

【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）02-0176-02

引言

許多高?，F(xiàn)在的本科生實驗都是由老師提供實驗指導(dǎo)書，依照既定的實驗方案按部就班地完成實驗，就能得到不錯實驗結(jié)果和成績。很少有學(xué)生在經(jīng)過這樣的實驗之后會反思實驗中的問題及這樣處理實驗的原因，大多數(shù)人都是沒有激情地完成實驗、得到數(shù)據(jù)、交上報告，然后將之拋之腦后。這種方式難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

以學(xué)生為主體的校園污水處理工藝方案設(shè)計及動態(tài)模擬實驗是由學(xué)生自主開展的一項實驗。實地調(diào)查、前期準(zhǔn)備、方案設(shè)計、運(yùn)行操作等都由學(xué)生自主獨立完成，教師只起輔導(dǎo)協(xié)助作用。成員由環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的高年級學(xué)生為主，同時也有各年級各專業(yè)的環(huán)保愛好者積極參與，帶動了在校學(xué)生對身邊環(huán)境的更多關(guān)注。由于武漢高校的區(qū)域性集中的特點，使得武漢大學(xué)校園污水處理工藝方案設(shè)計及動態(tài)模擬實驗更具有學(xué)習(xí)和借鑒的意義。每個大學(xué)人數(shù)眾多，生活污水排放量很大，本次模擬實驗對各個大學(xué)的校園污水處理以及學(xué)生實驗設(shè)計都有一定的幫助。

1.學(xué)生自主實驗

1.1自主實驗形式

學(xué)生自主實驗可以分為三個環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)是在開始實驗之前，在這個階段，首先成立實驗探究小組，組織各年級對實驗感興趣的同學(xué)，分成實驗小組收集資料，了解實驗條件，運(yùn)用所學(xué)的理論知識初步設(shè)計實驗方案，經(jīng)探究小組討論修改，請老師審核認(rèn)可后，確定最終的實驗方案；第二環(huán)節(jié)是實驗室實驗，我們按照設(shè)計的實驗方案開始實驗，在具體的實驗過程中逐步完善某些細(xì)節(jié)性的實驗步驟；第三環(huán)節(jié)是實驗環(huán)節(jié)結(jié)束后，是實驗總結(jié)部分，即撰寫實驗報告。由學(xué)生自己總結(jié)實驗中出現(xiàn)的問題，分析實驗結(jié)果，并針對自己設(shè)計的實驗提出一些建議和想法。

1.2學(xué)生自主實驗與傳統(tǒng)實驗對比

大多數(shù)高等院校的實驗教學(xué)都是由老師主導(dǎo)，學(xué)生在其中起的作用和收獲都極為有限，在任課教師講述實驗原理和注意事項后，讓學(xué)生根據(jù)既定的實驗方案和步驟完成實驗。雖然，這種方法在一定程度上提高了學(xué)生的動手能力和對儀器的了解，但是它極大的限制了學(xué)生自主創(chuàng)新和自由發(fā)散的思維，對高素質(zhì)人才的培養(yǎng)的幫助很少。

學(xué)生自主實驗與傳統(tǒng)教學(xué)實驗不同，在實驗中起主導(dǎo)因素的是我們學(xué)生，影響實驗流程與結(jié)果的是學(xué)生的思維，有更多收獲的也是學(xué)生自身。在第一環(huán)節(jié)設(shè)計實驗中，收集資料可以鍛煉同學(xué)們的信息收集和提煉能力，提高自主學(xué)習(xí)的能力，設(shè)計實驗方案的過程中，同學(xué)們可以加深對理論知識的理解并將其運(yùn)用到實際的實驗中，加深對實驗的理解，強(qiáng)化獨立思考進(jìn)而科學(xué)地解決問題的能力。在第二環(huán)節(jié)做實驗的過程中，通過對試驗方案的反復(fù)修改完善，增強(qiáng)了同學(xué)們溝通交流和團(tuán)隊協(xié)作的能力，也讓同學(xué)們對實驗儀器及操作方式更加熟悉，鍛煉了動手能力，對突發(fā)狀況的解決和思考同樣會讓同學(xué)們收獲良多。在第三環(huán)節(jié)撰寫實驗報告的過程中，同學(xué)們處理數(shù)據(jù)，反思總結(jié)的能力得到了很大提升，這個過程讓學(xué)生再一次鞏固所學(xué)的知識，總結(jié)實驗過程中經(jīng)驗教訓(xùn)，無論是設(shè)計的不完善還是操作的疏忽，都可以幫助同學(xué)們學(xué)習(xí)分析問題解決問題的方法進(jìn)而形成自己的思維方式。

2.校園污水調(diào)查與處理工藝研究

2.1目的

（1）通過實驗的實地考察，得到校園水質(zhì)污染的分布及處理情況，根據(jù)污水的來源及成分，提出具體解決和治理方案，為污水處理決策提供建設(shè)性建議；（2）通過設(shè)計實驗，使學(xué)生能夠了解和掌握一定的污水處理工藝的知識，讓更多的人關(guān)心環(huán)境保護(hù)；（3）通過本次開放實驗，讓學(xué)生學(xué)會自主設(shè)計設(shè)計實驗方案，積累經(jīng)驗，為之后的畢業(yè)設(shè)計和往后的實踐工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.2實驗設(shè)計及分工

2.3污水處理

本開放實驗選取活性污泥法中經(jīng)典生物處理方法，對校園食堂污水進(jìn)行處理。活性污泥是由具有活性和良好的凈化污水功能的微生物及其自身代謝的殘留物組成的絮狀污泥，包括吸附在絮狀污泥上的不可生物降解的有機(jī)物和無機(jī)物。

2.3.1實驗裝置：

原水槽（盛放原水）、鋼化玻璃材質(zhì)的酸化池、曝氣池、機(jī)械絮凝池、豎流式沉淀池、小水槽（出水）、橡皮軟管若干、小型水泵兩個、流量計一個。

按處理流程中給出的流程圖組裝系統(tǒng)，原水槽通過軟管連接至酸化池。酸化池中流出的污水經(jīng)過橡皮軟管進(jìn)入連有真空泵的曝氣池，再通過軟管進(jìn)入連有水泵的機(jī)械絮凝池，隨后進(jìn)入豎流式沉淀池沉淀雜質(zhì)，最終通過小水槽流出檢驗水質(zhì)。

本裝置各構(gòu)件容量為：原水槽50L，酸化池8L，曝氣池、絮凝池、沉淀池、小水池等均是3L。

2.3.2處理流程：

按照流程圖組裝實驗系統(tǒng)，先用清水進(jìn)行試驗，檢查裝置拼接是否正確，檢驗實驗系統(tǒng)有無漏水現(xiàn)象，若有紕漏及時做出調(diào)整。待實驗系統(tǒng)確認(rèn)無誤，往酸化池、曝氣池中分別加入適量的活性污泥，并逐漸提高大水槽中原水比例，最終達(dá)到100%。此舉是對活性污泥進(jìn)行馴化，使微生物逐漸適應(yīng)新的生活條件，逐步達(dá)到對食堂廢水所要求的滿負(fù)荷及很高的處理效率。馴化過程中，能適應(yīng)新條件的微生物得到發(fā)展，不能適應(yīng)的微生物被逐漸淘汰。馴化過程中應(yīng)根據(jù)微生物需要加入養(yǎng)料。為了縮短培養(yǎng)馴化時間，可將培養(yǎng)、馴化兩階段合并起來進(jìn)行。根據(jù)實驗條件，剛開始運(yùn)行速度0.2L/h，逐漸減小到0.1L/h。待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，分別取運(yùn)行3、5、10天后的出水作為測試樣品，檢測各項指標(biāo)。

（1）酸化池水解酸化處理：主要將其中難生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到獾挠袡C(jī)物，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧處理。水解酸化工藝根據(jù)產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應(yīng)時間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細(xì)菌、酸化菌作用下將不溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程，從而改善廢水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基礎(chǔ)。（2）曝氣池好氧處理：曝氣池利用活性污泥法進(jìn)行污水處理，池內(nèi)提供一定污水停留時間，滿足好氧微生物所需要的氧量以及污水與活性污泥充分接觸的混合條件。采用鼓風(fēng)曝氣。（3）機(jī)械絮凝池：通過機(jī)械攪拌創(chuàng)造適宜的水力條件，使具有絮凝性能的顆粒在相互接觸中聚集，以形成較大的絮凝體，適當(dāng)投加絮凝劑。（4）豎流式沉淀池：水由設(shè)在池中心的進(jìn)水管自上而下進(jìn)入池內(nèi)，管下設(shè)傘形擋板使廢水在池中均勻分布后沿整個過水?dāng)嗝婢徛仙?，懸浮物沉降進(jìn)入池底錐形沉泥斗中，澄清水從池四周沿周邊溢流堰流出。（5）出水，進(jìn)行相關(guān)檢測實驗。（6）系統(tǒng)采用持續(xù)不間斷運(yùn)行，處理污水流量15ml/h，連續(xù)運(yùn)行5周，每周對進(jìn)、出水水質(zhì)檢測一次，每周對曝氣池中的活性污泥進(jìn)行生物相鏡檢。

2.4測試方法及儀器

本實驗檢測原水和出水pH、濁度、COD、BOD及曝曝所池中生物相。

2.5測試結(jié)果

2.6結(jié)果討論

從以上的實驗數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)運(yùn)行3天后的污水COD、濁度、BOD5與原水相比顯著降低，pH無顯著變化甚至略有上升，水質(zhì)有很大改善，通過與《國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB8978

-2002）》對比可看出，原水中COD、BOD5均超過排放標(biāo)準(zhǔn)，不能直接排放，而處理三天或五天后的廢水所有數(shù)據(jù)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，可直接排放。通過曝氣池中生物相檢測也可以看出，處理系統(tǒng)運(yùn)行正常有效，通過前一步酸化池處理后，曝氣池中微生物種類和數(shù)量表明，這一步中的水質(zhì)為輕度污染水質(zhì)，水質(zhì)有了相當(dāng)程度的改善。這證明了系統(tǒng)對于校園污水凈化處理有相當(dāng)?shù)男Ч?，處理后的污水可以直接排放?/p>

3.存在的問題及注意事項

（1）本實驗所選取的采樣點過少。由于時間等因素的影響，本次實驗僅選取了兩個典型的代表點進(jìn)行實驗，樣本數(shù)較少會對實驗最終的結(jié)果分析以及處理結(jié)果產(chǎn)生影響。（2）存在操作及儀器誤差。由于開放性實驗參加的本科生有部分非環(huán)境專業(yè)且低年級學(xué)生，很可能會有操作誤差，影響準(zhǔn)確性。如COD檢測中，曾出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，經(jīng)大家多次重復(fù)實驗與分析，原因是水樣稀釋不均勻。測定BOD5中，處理10天后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了誤差，稀釋水使用前應(yīng)充分曝氣達(dá)到溶解氧飽和，確保水樣在5天的培養(yǎng)中有足夠富余的溶解氧。（3）樣品數(shù)據(jù)測量不及時。實驗采樣時條件所限未能及時的測量原樣品中的相關(guān)指標(biāo)，而且忽略了取樣過程中的環(huán)境影響，會對樣品數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

結(jié)語

作為一次開放性實驗，本次實驗是有一定成效的。雖然不能說達(dá)到了所有的目的，但最關(guān)鍵是我們調(diào)動了參與開放實驗的同學(xué)們的熱情，通過參與此次開放實驗證明了我們對環(huán)境事業(yè)的關(guān)心不只停留在口號上。我們基本達(dá)成了“讓學(xué)生了解和掌握一定的污水處理工藝的知識，讓更多的人關(guān)心環(huán)境保護(hù)”和“通過本次開放實驗，學(xué)會自主設(shè)計設(shè)計實驗方案，積累經(jīng)驗，為之后的畢業(yè)設(shè)計和往后的實踐工作奠定堅實的基礎(chǔ)”這兩點目的。此次開放實驗，收獲良多，但暴露出的問題也有很多。環(huán)境工程實驗對專業(yè)素質(zhì)要求較強(qiáng)，即使我們做了一定準(zhǔn)備，但到最后落到全體的實際操作，發(fā)現(xiàn)還是有很多紕漏。希望這次自主實驗對以后的實驗有所幫助，避免重蹈覆轍。

經(jīng)過本次學(xué)生自主實驗，同學(xué)們不僅鞏固了自己的專業(yè)知識、提升了自己的專業(yè)能力，也為校園污水處理做出了自己的貢獻(xiàn)。學(xué)生自主實驗有助于增強(qiáng)學(xué)生的自主思考及實驗?zāi)芰Γ屚瑢W(xué)們在實踐中拓展思路，加深對理論知識的理解與運(yùn)用。本次實驗也分享了許多自主設(shè)計過程中的困難與疏忽，希望對以后學(xué)生自主實驗教學(xué)有所幫助。

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作者簡介：

楊瑾（1997-），女，漢族，湖北孝感人，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院本科在讀，專業(yè)：環(huán)境工程。

劉慧龍（1966-），男，漢族，湖南湘鄉(xiāng)人，本科，高級實驗師，研究方向：環(huán)境科學(xué)與工程。