固體廢棄物處理與處置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

肖 敏，張玉革，林靜雯，王英剛，魏建兵，高 丹

(沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110044)

環(huán)境工程專業(yè)涵蓋化學(xué)、生物、地學(xué)、物理等學(xué)科知識，是一門運(yùn)用給排水工程、化學(xué)工程、機(jī)械工程等技術(shù)原理和手段，協(xié)調(diào)環(huán)境與發(fā)展，保護(hù)和改善環(huán)境質(zhì)量，解決廢氣、廢水、固廢、噪音污染等問題的綜合性交叉學(xué)科[1-2]，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決復(fù)雜環(huán)境工程問題能力、培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為主要目標(biāo)，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是該學(xué)科重要環(huán)節(jié).

《固體廢棄物處理與處置》是環(huán)境工程專業(yè)的主干課程，通過典型固廢處理與資源化原理與工藝，培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)工程實(shí)踐能力.但在固廢綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)中，如垃圾焚燒、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵等實(shí)驗(yàn)，存在著試驗(yàn)周期長、二噁英及惡臭氣體排放、微生物馴化培養(yǎng)耗時較長等問題，使得實(shí)驗(yàn)操作存在諸多不確定性[3].

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用過程模擬仿真技術(shù)，將設(shè)備工作原理算法化，根據(jù)工藝流程結(jié)構(gòu)搭建數(shù)學(xué)模型[4-5]，已在生物、土木、藥學(xué)、環(huán)境工程等高危環(huán)境操作及實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)行了探索與實(shí)踐[3，6-9]，學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師所設(shè)定情景，進(jìn)行在線預(yù)習(xí)、工藝設(shè)計(jì)與選擇、數(shù)據(jù)處理、分析計(jì)算，借以進(jìn)行大型設(shè)備的操作、設(shè)備故障現(xiàn)象再現(xiàn)、工藝調(diào)控等，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和提高對設(shè)備、工藝的理解能力.

以固廢實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，借助東方仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真，針對垃圾焚燒、好氧堆肥和厭氧發(fā)酵工藝建立虛擬仿真模塊，模擬垃圾焚燒系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)等單元設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作現(xiàn)象；模擬堆肥前處理、發(fā)酵等多個環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生熟悉設(shè)備流程及典型工藝過程，學(xué)習(xí)設(shè)備閥門、設(shè)備和儀表的正確操作步驟，使學(xué)生熟悉垃圾焚燒發(fā)電、好氧堆肥與厭氧發(fā)酵工藝相關(guān)基礎(chǔ)知識、工藝流程、培養(yǎng)實(shí)操能力和工程設(shè)計(jì)能力，彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足，還原真實(shí)操作場景，以期為高校環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒.

1 固廢虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)組成

1.1 固廢虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

固廢虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括垃圾焚燒發(fā)電工藝、好氧堆肥及厭氧發(fā)酵工藝、主要設(shè)備及儀表、工藝流程等.其教學(xué)體系包括仿真操作型實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)和仿真設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)3部分，如圖1所示.

圖1 固廢虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

1.2 固廢虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

依托仿真軟件，結(jié)合固廢工藝原理和人工設(shè)計(jì)計(jì)算過程，該實(shí)驗(yàn)分為6部分：理論知識考核及拓展、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情景設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析、故障排查與調(diào)整、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績評定.

首先，學(xué)生要對垃圾焚燒技術(shù)及熱值計(jì)算、好氧堆肥及厭氧發(fā)酵理論及工藝有一定的理解，掌握實(shí)驗(yàn)原理，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，明確實(shí)驗(yàn)步驟；其次，明確實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、分析與處理方法；學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識，根據(jù)老師提供的設(shè)計(jì)情景，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，先采用手算方法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，而后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單因素或多因素影響模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算與校核，并比較分析兩者結(jié)果；最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果與過程調(diào)試情況，撰寫分析報(bào)告及仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告，并通過答辯方式進(jìn)行結(jié)題考核.

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程

2.1 理論拓展及流程設(shè)計(jì)

引導(dǎo)學(xué)生回顧所學(xué)固廢焚燒與生物處理工藝相關(guān)理論、流程、參數(shù)、單元設(shè)備和注意事項(xiàng)；利用環(huán)境微生物學(xué)、水污染控制工程、大氣污染控制工程、環(huán)境生態(tài)及監(jiān)測模塊，復(fù)習(xí)COD、CH4、CO2、總氮及大腸桿菌等測定，融會貫通專業(yè)脈絡(luò).

垃圾發(fā)電工藝系統(tǒng)模擬 500 t/d 的垃圾焚燒處理過程，采用控氣型固體廢棄物熱分解處理技術(shù)(CAPS)，結(jié)合垃圾存貯給料系統(tǒng)、焚燒、熱能利用發(fā)電、煙氣凈化和灰渣熔融系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示.在該技術(shù)流程中，生活垃圾經(jīng)計(jì)量、破碎預(yù)處理后，由抓斗進(jìn)入焚燒爐，分別通過將垃圾徹底燃燒，產(chǎn)生的爐渣由等離子灰渣熔融爐處理.垃圾滲濾液經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入滲濾液處理系統(tǒng)焚燒過程中會有一次風(fēng)、二次風(fēng)與投油助燃系統(tǒng)，以保證充分燃燒、控制煙氣濃度；煙氣經(jīng)余熱鍋爐、過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)；剩余煙氣經(jīng)洗氣吸收塔后經(jīng)活性炭吸附通過旋風(fēng)與布袋除塵器系統(tǒng)排放[10].在仿真試驗(yàn)中，對工藝開停車步驟和閥門、設(shè)備及儀器的正確操作及應(yīng)急響應(yīng)方法及典型事故處理進(jìn)行培訓(xùn)(如：煙塵、SO2及NOx濃度過高，焚燒爐溫度過低等)；并記錄石灰漿液、氨水的使用量煙氣溫度、煙氣量等指標(biāo)參數(shù).

好氧堆肥及厭氧發(fā)酵工藝系統(tǒng)主要包括好氧/厭氧發(fā)酵反應(yīng)器主體、供風(fēng)系統(tǒng)、滲濾液收集和回灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和控制系統(tǒng)，好氧發(fā)酵反應(yīng)的滲濾液收集和回灌系統(tǒng)包括滲濾液收集池、回灌水泵、控制調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)裝置.模擬生物處理過程的影響規(guī)律，掌握影響因素對好氧堆肥或厭氧發(fā)酵處理的變化規(guī)律；掌握基本操作方法，探究反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式、溫度、時間、pH等對產(chǎn)氣量、沼氣成分、COD變化的影響規(guī)律，認(rèn)識環(huán)境溫度、C/N比等因素產(chǎn)生的影響.

圖2 垃圾焚燒發(fā)電流程

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情景設(shè)計(jì)

學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師所設(shè)定的情景模式進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，在仿真操作界面自由選擇實(shí)驗(yàn)工況，設(shè)置對應(yīng)參數(shù).例如，在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定C/N比為24∶1的碳氮比發(fā)酵原料在 45 ℃ 高溫環(huán)境中進(jìn)行厭氧發(fā)酵.

學(xué)生首先根據(jù)原料組成，手動計(jì)算厭氧發(fā)酵過程中CH4、CO2產(chǎn)量理論值，并對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；再通過仿真軟件完成厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，并繪制溫度、pH隨時間的變化，記錄在試驗(yàn)期間CO2、CH4成分和產(chǎn)氣速率.仿真實(shí)驗(yàn)操作界面如圖3 所示，學(xué)生按情景設(shè)定相應(yīng)碳氮比、溫度等參數(shù)值，記錄發(fā)酵過程參數(shù)變化情況并與理論值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4所示.

由圖4(c)可見，厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生手動計(jì)算得到的CH4產(chǎn)量理論值與仿真實(shí)驗(yàn)值吻合較好，相對誤差小于10%，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求.誤差來源于產(chǎn)甲烷模型的簡化假設(shè)等方面.

圖3 厭氧發(fā)酵仿真實(shí)驗(yàn)裝置及操作界面

圖4 厭氧發(fā)酵過程圖

2.3 仿真設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)輔助手段，對單體工藝過程進(jìn)行分析及工藝參數(shù)影響分析，進(jìn)而對固廢處理過程系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定其各個部位的屬性和性能指標(biāo).

如在好氧制堆肥仿真試驗(yàn)中，考查溫度對過程的影響.首先，學(xué)生回顧堆肥溫度范圍及其機(jī)制，而后利用仿真軟件分別設(shè)置環(huán)境溫度為25、35、55 ℃，進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并繪制圖表，如圖5、6所示，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析討論.

圖5 好氧堆肥與仿真實(shí)驗(yàn)裝置及操作界面

圖6 溫度對好氧堆肥過程的影響

由圖6可知，初始溫度 55 ℃ 的好氧堆肥過程酸化周期較25、35 ℃ 顯著增長，體系升溫節(jié)點(diǎn)推遲，且體系pH值下降幅度較大，結(jié)果表明在反應(yīng)初始階段，環(huán)境溫度過高，抑制了嗜溫菌的活性，降低可溶性有機(jī)質(zhì)的降解速率，抑制堆肥反應(yīng)的進(jìn)行；但隨著初始溫度的升高，難溶性有機(jī)質(zhì)的水解程度顯著增加，提升固廢的生化降解程度.

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情景進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，依據(jù)變化趨勢對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)物指標(biāo)判斷工藝參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，建立動態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行工藝的工程理念；熟練掌握Origin及Excel等軟件繪圖技巧與分析處理數(shù)據(jù)方法；并可進(jìn)行多方案的對比分析，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

2.5 故障排查與調(diào)整

結(jié)合實(shí)際案例，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生給出解決方案和流程；或在學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)發(fā)生故障報(bào)警時，指導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試，做出方案結(jié)論并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，進(jìn)一步強(qiáng)化工程意識，鍛煉學(xué)生對設(shè)備故障的排查能力；通過設(shè)置應(yīng)急演練，使學(xué)生警惕實(shí)際生產(chǎn)中的安全隱患，鍛煉學(xué)生應(yīng)急處理能力，有效解決現(xiàn)場實(shí)習(xí)的不足.

2.6 實(shí)驗(yàn)成績評定

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師通過設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行、故障排查與調(diào)整、模擬實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告、仿真設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯情況綜合評定學(xué)生成績，包括實(shí)驗(yàn)操作及理論知識兩個方面進(jìn)行.例如垃焚燒發(fā)電工藝中相關(guān)基礎(chǔ)知識、工藝流程、控制參數(shù)等，能夠根據(jù)工藝流程圖找到相關(guān)的處理單元，并學(xué)習(xí)和掌握設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)行原理，回答教師在課堂上關(guān)于實(shí)驗(yàn)原理、工藝單元、設(shè)備構(gòu)造、數(shù)據(jù)分析處理、單元操作等方面的提問；并能通過自主設(shè)計(jì)焚燒工況參數(shù)影響模擬實(shí)驗(yàn)，探尋最優(yōu)運(yùn)行條件和優(yōu)化設(shè)計(jì).理論知識測評成績占總評成績的20%.學(xué)生進(jìn)行固廢處理工藝流程進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，根據(jù)操作順序、操作規(guī)范和參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性等對操作技能進(jìn)行分析評分，操作技能得分占總評成績的40%.根據(jù)固廢處理工藝流程選擇，開車運(yùn)行調(diào)節(jié)并優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)，掌握不同運(yùn)行參數(shù)條件下，系統(tǒng)對固廢的處理效果，仿真實(shí)踐型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)操作占總評成績的20%；實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)考評及模擬實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告、仿真設(shè)計(jì)報(bào)告的成績占總評成績的15%，并引導(dǎo)學(xué)生將仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與仿真設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、遼寧省環(huán)境生態(tài)科技大賽、國家及省市級科研課題、橫向課題等實(shí)際需求及科技創(chuàng)新競賽相結(jié)合，通過仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析討論，指導(dǎo)學(xué)生撰寫科技論文，以項(xiàng)目獲批級別、獲獎級別和發(fā)表論文情況等方面進(jìn)行考核，此部分占總評成績的5%.

3 教學(xué)效果

引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)5年來，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有了明顯提高，參與工程創(chuàng)新性的項(xiàng)目逐年增長，工程理念得到進(jìn)一步提升.通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉工藝流程設(shè)計(jì)及操作單元的組合，鍛煉學(xué)生對設(shè)備故障的排查能力；通過設(shè)置應(yīng)急演練，使學(xué)生警惕實(shí)際生產(chǎn)中的安全隱患，鍛煉學(xué)生應(yīng)急處理能力，有效解決現(xiàn)場實(shí)習(xí)的不足.通過實(shí)驗(yàn)的開展與完成不僅使學(xué)生了解、熟悉項(xiàng)目各主要環(huán)節(jié)的要求和規(guī)范，在實(shí)踐過程中主動學(xué)習(xí)新的知識，提高了文獻(xiàn)收集和分析能力，還激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣，積極參加科研課題、科技創(chuàng)新競賽及大創(chuàng)計(jì)劃，并將仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析，促進(jìn)部分學(xué)生繼續(xù)深造學(xué)習(xí).先后有57名學(xué)生在省級以上期刊上發(fā)表科研論文；有233人獲得國家級、省市級、校級以上“挑戰(zhàn)杯”“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”等各種獎勵和榮譽(yù)[11-13]；幾年來，考研率節(jié)節(jié)高升，學(xué)生由我校環(huán)境工程專業(yè)考入中科院生態(tài)所、華南理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、遼寧大學(xué)、沈陽建筑大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等院校的研究生，并在從事科研課題研究中取得較好成績.近5年來，我院環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生能更針對性地學(xué)習(xí)了解并分析解決生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)實(shí)際問題，提高了專業(yè)學(xué)習(xí)效果.在的能力方面，畢業(yè)生以工作踏實(shí)、動手能力強(qiáng)及較強(qiáng)的分析解決復(fù)雜環(huán)境工程問題能力得到了用人單位一致好評，提升我校學(xué)生在業(yè)界中的認(rèn)可度.

4 結(jié)語

本文以固廢綜合仿真實(shí)驗(yàn)為例，闡述了環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐過程，構(gòu)建仿真實(shí)踐教學(xué)模式，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與動手能力及獨(dú)立分析解決復(fù)雜環(huán)境問題的能力；通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉環(huán)境工程相關(guān)基礎(chǔ)知識、工藝流程、培養(yǎng)實(shí)操能力和工程設(shè)計(jì)能力，避免實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)等不確定因素，加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)理論知識的掌握，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.