農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與應(yīng)用

張 艷, 柳 丹, 王懿祥, 曹玉成, 李 梅, 駱林平

(1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 浙江 杭州 311300; 2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處, 浙江 杭州 311300)

在我國(guó)農(nóng)村,隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展,污水排放量急劇增加,部分水體氮、磷、有機(jī)物含量超標(biāo),破壞了鄉(xiāng)村居住和生態(tài)環(huán)境。然而截至2015年底,全國(guó)88.65%的行政村尚未對(duì)生活污水進(jìn)行集中處理[1]。由于農(nóng)村污水水質(zhì)、水量及排放特征與城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)污水相差甚大,所以農(nóng)村水環(huán)境治理的方案、工藝等與城鎮(zhèn)污水不同。

“水污染控制工程”是高校環(huán)境工程專業(yè)核心主干課程之一,但該課程的實(shí)踐教學(xué)受到設(shè)備、場(chǎng)地、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)限制。虛擬仿真技術(shù)的引入為實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了新發(fā)展,但目前水處理虛擬仿真軟件還很少,而且通常是模擬一個(gè)裝置或某一項(xiàng)工藝[2],缺少完整的工藝流程,而且沒(méi)有針對(duì)農(nóng)村污水處理的內(nèi)容[3]。浙江農(nóng)林大學(xué)是一所以農(nóng)林、生物環(huán)境學(xué)科為特色的浙江省屬重點(diǎn)建設(shè)高校,學(xué)校的環(huán)境工程專業(yè)致力為農(nóng)村、農(nóng)業(yè)污染防治培養(yǎng)專業(yè)特色人才。為了使學(xué)生學(xué)好“水污染控制工程”這門(mén)課程,熟練掌握應(yīng)用專業(yè)技術(shù),開(kāi)發(fā)并建設(shè)了農(nóng)村水環(huán)境治理特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1 農(nóng)村水環(huán)境治理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

農(nóng)村水環(huán)境治理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)牢牢抓住農(nóng)村水環(huán)境治理這一核心,把握農(nóng)業(yè)集約化、市場(chǎng)化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)對(duì)水環(huán)境造成的影響,結(jié)合農(nóng)村穩(wěn)步改善的經(jīng)濟(jì)條件和農(nóng)業(yè)人口不斷提高的生活環(huán)境需求,按照新農(nóng)村居民點(diǎn)布局及規(guī)劃設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)水環(huán)境治理的工藝流程,突顯農(nóng)村特色,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益共贏。

1.1 需求設(shè)計(jì)

農(nóng)村水環(huán)境治理不同于城鎮(zhèn)污水處理和工業(yè)污水處理,不是簡(jiǎn)單地建造一個(gè)污水處理廠,它涉及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、新農(nóng)村的整體規(guī)劃和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多個(gè)方面,最終要與農(nóng)村的生產(chǎn)、生活融為一體。

(1) 以農(nóng)村污廢水為處理對(duì)象。以農(nóng)民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污水、廢水為處理對(duì)象,分析其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì),針對(duì)污水、廢水的性質(zhì)與污染指標(biāo),選擇適合的處理工藝、設(shè)備。

(2) 需要完整的工藝流程。包括截留大塊懸浮物和漂浮物,將大分子有機(jī)物變成小分子有機(jī)物,各種污染物質(zhì)的降解,泥水分離等全部工藝流程,各工序完整、聯(lián)系緊密。

(3) 綠色清潔,杜絕二次污染。無(wú)論是對(duì)水處理工藝的選擇,還是對(duì)副產(chǎn)物的處置,都要遵循綠色、環(huán)保、清潔、可持續(xù)發(fā)展的原則,把控全程,防止二次污染,充分實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用,達(dá)到治理有效、生態(tài)宜居的目標(biāo)。

1.2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

農(nóng)村水環(huán)境治理實(shí)驗(yàn)安排在“水污染控制工程”課程教學(xué)完成之后,目的是強(qiáng)化理論教學(xué)效果,補(bǔ)充實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)、操作內(nèi)容。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程完成以下教學(xué)目標(biāo):

(1) 進(jìn)一步理解、掌握格柵池、輻流式沉淀池、厭氧池、調(diào)節(jié)池、UASB(up-flow anaerobic sludge bed/blanket)、SBR(sequencing batch reactor)、氧化塘、人工濕地等工藝的工作原理或凈化機(jī)理、適用條件、設(shè)計(jì)原則、計(jì)算等;

(2) 熟練操作各主要裝置設(shè)備、水泵、風(fēng)機(jī); 熟練調(diào)控進(jìn)水、反應(yīng)、排水、排泥、閑置等工序;

(3) 學(xué)會(huì)根據(jù)污水特征選擇適合的處理工藝、計(jì)算參數(shù)、設(shè)計(jì)工藝流程,靈活運(yùn)用各工藝、裝置、設(shè)備。

1.3 特征設(shè)計(jì)

農(nóng)村水環(huán)境治理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)凸顯以下特征:

(1) 針對(duì)性。農(nóng)村水環(huán)境治理實(shí)驗(yàn)以農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水為主要治理對(duì)象,針對(duì)水中高濃度的有機(jī)物、氮、磷等污染物選擇最適合的處理工藝。

(2) 完整性。農(nóng)村水環(huán)境治理實(shí)驗(yàn)選取一級(jí)物理處理、二級(jí)生物處理和深度處理等工序,包括從進(jìn)水到出水的全部處理過(guò)程,并且還包括處理過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染物的處置過(guò)程。

(3) 資源化利用。對(duì)于水處理的過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染物污泥和沼氣,采用污泥堆肥、沼氣發(fā)電等廢棄物資源化工藝,實(shí)現(xiàn)農(nóng)村水環(huán)境治理系統(tǒng)全程清潔生產(chǎn),綠色節(jié)能。

(4) 適用性。針對(duì)農(nóng)村水污染物特征,選用適合農(nóng)村特殊環(huán)境的污/廢水處理工藝,例如,SBR、UASB、人工濕地、氧化塘等。SBR(sequencing batch reactor)工藝組成簡(jiǎn)單、高效、穩(wěn)定,適合中小水量污水的處理,尤其適用于污水中氮、磷的去除; UASB(up-flow anaerobic sludge bed/blanket)有很高的有機(jī)污染物去除率,能適應(yīng)較大幅度的負(fù)荷沖擊、溫度和pH變化,適用于處理畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的高濃度有機(jī)廢水[4]; 人工濕地和氧化塘工藝簡(jiǎn)單,建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本低,操作、管理簡(jiǎn)便,系統(tǒng)基本無(wú)能耗,污泥零排放,出水水質(zhì)好,對(duì)于有機(jī)污染物,特別是氮和磷的處理效果顯著。

還可充分利用地形,發(fā)展種植、養(yǎng)殖業(yè),在凈化污水的同時(shí)可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益,真正實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用，因而特別適用于土地資源不緊張的農(nóng)村地區(qū)。

1.4 主要工藝流程

農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括生活污水處理、禽畜糞便污水處理、污泥堆肥生產(chǎn)、沼氣發(fā)電等4個(gè)主要工藝流程,如圖1—圖4所示。

圖1 農(nóng)村生活污水處理工藝流程

圖2 禽畜糞便污水處理工藝流程

圖3 污泥堆肥工藝流程

圖4 沼氣發(fā)電工藝流程

2 農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的功能,全方位展示水環(huán)境治理的工藝流程、工作原理和運(yùn)行狀態(tài),該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件采用C++語(yǔ)言并通過(guò)Visual Studio工具進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。使用SVN、Microsoft Project等工具進(jìn)行程序版本控制和項(xiàng)目管理。選取MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),通過(guò)后臺(tái)模塊化模型的搭建和鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真,并通過(guò)Maya、3ds Max等工具制作仿真資源(貼圖、動(dòng)畫(huà)、模型)[5],實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水處理全過(guò)程、多角度仿真,在設(shè)計(jì)和建設(shè)的過(guò)程中,注重細(xì)節(jié)、力求逼真。

2.1 以真實(shí)鄉(xiāng)村為原形進(jìn)行實(shí)景攝取

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以浙江省某村為原型,該村的水環(huán)境治理廠為本學(xué)科教師設(shè)計(jì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)農(nóng)村生活污水進(jìn)水量為50 m3/d; 禽畜糞便污水進(jìn)水量為1 000 m3/d; 出水中CODCr、BOD5、NH3-N、TP、SS含量執(zhí)行GB 18918-2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 工藝流程圖和處理現(xiàn)場(chǎng)圖的配合使用

4個(gè)主要工藝流程都配有仿DCS(distributed control system)界面的工藝流程圖和處理仿真界面圖。圖5為農(nóng)村生活污水處理仿真界面。

圖5 農(nóng)村生活污水處理仿真界面

仿DCS界面的工藝流程圖標(biāo)注了各裝置、設(shè)備、構(gòu)筑物的名稱、位號(hào)和結(jié)構(gòu),展示了各閥門(mén)、風(fēng)機(jī)、泵的位置,管道的布設(shè),以及泥、水、氣的線路和走向,使工藝流程真實(shí)、具體地展現(xiàn)出來(lái),讓學(xué)生了解每個(gè)閥門(mén)的作用和每條管道的功能。處理現(xiàn)場(chǎng)圖展示了主要工序的工作運(yùn)行場(chǎng)景[6],使用flash、3ds Max制作出動(dòng)畫(huà)文件,形象、逼真的演示污水進(jìn)入系統(tǒng)后的流動(dòng)和變化,泥、氣的產(chǎn)生,使學(xué)生如身臨其境,對(duì)整個(gè)工藝流程一目了然。

2.3 設(shè)備剖面圖和工作原理動(dòng)畫(huà)的配合使用

粗格柵、污泥脫水機(jī)、輻流式沉淀池等主要設(shè)備都有剖面圖和工作原理動(dòng)畫(huà)。圖6為輻流式沉淀池剖面圖。設(shè)備剖面圖讓學(xué)生清楚的了解這些主要設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,彌補(bǔ)了工廠實(shí)習(xí)不能隨意拆卸設(shè)備的不足[3]。工作原理動(dòng)畫(huà)動(dòng)態(tài)展示了該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),把課本中用文字和圖片描述的設(shè)備和原理,立體、生動(dòng)的演繹出來(lái)。

圖6 輻流式沉淀池的剖面圖

2.4 參數(shù)設(shè)置和工況選擇相配合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的4個(gè)主要工藝流程的參數(shù)是按照實(shí)際工藝設(shè)置的,可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和工況選擇。每道工序的參數(shù)都可以讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)置,增加了學(xué)生實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了正常開(kāi)車(chē)和污泥泵故障2種工況,可以鍛煉學(xué)生處置突發(fā)事故的能力[7]。正常開(kāi)車(chē)又包括進(jìn)水操作、曝氣操作、排泥操作和沼氣發(fā)電操作4個(gè)步驟。

2.5 知識(shí)點(diǎn)講解和仿真模擬相配合

除了設(shè)備裝置、工藝流程的虛擬仿真外,每道工序和每個(gè)工藝流程都配有知識(shí)點(diǎn)的講解,可以用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的預(yù)習(xí),也可以用于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的復(fù)習(xí),使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶[8]。

2.6 教學(xué)管理和學(xué)習(xí)使用相配合

農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿真系統(tǒng)采用C/S、B/S架構(gòu)相結(jié)合的架構(gòu)方式。通過(guò)B/S架構(gòu),用戶可以訪問(wèn)管理平臺(tái),查看相關(guān)功能(軟件列表、課程列表)和統(tǒng)計(jì)信息(學(xué)習(xí)記錄、考試成績(jī))[9-11]。

教師可在虛擬仿真系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、考核管理、班級(jí)管理、成績(jī)管理等操作，可根據(jù)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行線上的仿真考試,統(tǒng)一啟動(dòng)和控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,評(píng)判成績(jī),統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)，從而掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,有針對(duì)性地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

學(xué)生可在線下進(jìn)行仿真練習(xí),在練習(xí)過(guò)程中可以得到關(guān)于知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)步驟和操作方法的指導(dǎo)和提示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果由虛擬仿真系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判并給出成績(jī),還可顯示不得分原因，通過(guò)查漏補(bǔ)缺,加深理解,熟練操作。

3 農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿仿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

自農(nóng)村水環(huán)境治理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在我校建成并投入使用以來(lái),受到了師生的一致好評(píng)。學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力不斷提高,在各類(lèi)競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī),獲得了全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽二等獎(jiǎng)、2018年全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽華東地區(qū)二等獎(jiǎng)、第十二屆浙江省大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不斷完善,對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用也在探索中逐步加深。

3.1 應(yīng)用于課堂教學(xué)

課堂教學(xué)一直是傳授專業(yè)理論知識(shí)的主要形式。在課堂教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)于提高工程類(lèi)課程教學(xué)質(zhì)量效果十分突出。利用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中知識(shí)點(diǎn)的講解和主要設(shè)備的剖面圖、工作原理演示動(dòng)畫(huà),使學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容有總體的認(rèn)識(shí)和初步的理解,上課時(shí)可重點(diǎn)聽(tīng)取疑難內(nèi)容。課前預(yù)習(xí)形式多樣化,可增加學(xué)生課前預(yù)習(xí)的興趣。課后還可利用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步熟悉各主要工藝和關(guān)鍵設(shè)備的工作原理、使用范圍、功能特點(diǎn)和操作方法,加深對(duì)水處理工藝流程的理解和運(yùn)用。

3.2 應(yīng)用于真實(shí)實(shí)驗(yàn)課程

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合,可以延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)課時(shí)間,拓展實(shí)驗(yàn)室空間和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,突破經(jīng)費(fèi)和設(shè)備臺(tái)套數(shù)的限制[12],真正實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式、一對(duì)一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,學(xué)生可以見(jiàn)識(shí)到工程中使用的真實(shí)設(shè)備和完整的工藝流程。當(dāng)輸入?yún)?shù)和操作有誤時(shí),系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)提示,還可給出錯(cuò)誤的原因和正確的做法。教師不僅限于在課堂上,在課后依然可以查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況和指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),通過(guò)系統(tǒng)的交流窗口可以與學(xué)生及時(shí)溝通,增加了師生交流機(jī)會(huì),提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的體驗(yàn)度,增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。

3.3 應(yīng)用于工程實(shí)踐

專業(yè)實(shí)習(xí)是工科專業(yè)教學(xué)中必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。但在實(shí)際的實(shí)習(xí)中,往往會(huì)受到時(shí)間因素、安全因素、生產(chǎn)因素的影響,學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)十分有限,達(dá)不到期望的實(shí)習(xí)效果[13]。而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,學(xué)生不但可以充分練習(xí)各裝置的開(kāi)停車(chē)操作、參數(shù)設(shè)置以及緊急事故處理等內(nèi)容,練習(xí)操作技術(shù)，還可以觀察到設(shè)備、裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管道中泥、水、氣的流向、狀態(tài),調(diào)控整個(gè)處理過(guò)程,把控全局,增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)自信。

3.4 應(yīng)用于科學(xué)研究

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用經(jīng)典模型計(jì)算,經(jīng)原型工程實(shí)際排水質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)校正,通過(guò)系統(tǒng)的交互式操作和后臺(tái)運(yùn)算,可產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果[14]。學(xué)生通過(guò)對(duì)農(nóng)村水環(huán)境治理工藝的學(xué)習(xí)和虛擬仿真軟件的操作,在掌握了原理、工藝和操作的基礎(chǔ)上,可以靈活運(yùn)用該軟件進(jìn)行課程設(shè)計(jì),申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和參與教師科研。學(xué)生可借助虛擬仿真系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,與教師或同學(xué)分析問(wèn)題,在解決問(wèn)題的過(guò)程中釋放自身潛能,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。