危險廢物全生命周期處理與處置實驗虛擬仿真設(shè)計

王東梅， 龔正君， 王 君， 惠彬宇， 羅鶴松

（1.西南交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611756；2.南充嘉源環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司，四川 南充 637900）

0 引 言

危險廢物危害大、污染重、影響深，是環(huán)境污染防治任務(wù)中最難處理的污染物之一［1-2］，如何實現(xiàn)此類廢物的妥善處理與處置，減輕對生態(tài)環(huán)境的影響已成為當(dāng)前亟須解決的問題［3-5］。在環(huán)境類專業(yè)課程教學(xué)中，固體廢物處理處置與資源化實驗是其專業(yè)核心課程，但受限于危險廢物的危險性、處理處置技術(shù)的特殊性，危險廢物處理與處置實驗成為學(xué)生做不了的實驗［6-7］。為全面培養(yǎng)具有此類技術(shù)的環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生，亟須結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)搭建實驗虛擬仿真以實現(xiàn)對危險廢物處理處置實踐能力的訓(xùn)練，達(dá)到對人才實踐能力全面培養(yǎng)的目的［8］。

在固體廢物處理處置與資源化領(lǐng)域，當(dāng)前有高校已建設(shè)有機(jī)固體廢物厭氧發(fā)酵、垃圾焚燒發(fā)電和危險廢物突發(fā)事故應(yīng)急處置等實驗虛擬仿真等［9-10］，還無針對危險廢物預(yù)處理及處置技術(shù)的實驗及實踐內(nèi)容。鑒于此，以最新的相關(guān)技術(shù)規(guī)范為依據(jù)［11-13］，基于全生命周期的理念設(shè)計開發(fā)了危險廢物處理處置實驗虛擬仿真系統(tǒng)［14］。該系統(tǒng)將危險的處理對象、特殊龐大的實驗裝置、不可逆的實驗過程直觀形象的展現(xiàn)，以工程師的角色通過任務(wù)式引導(dǎo)讓學(xué)生如同親臨實境。該系統(tǒng)為環(huán)境類學(xué)生實踐能力培養(yǎng)提供了共享實驗虛擬仿真教學(xué)資源，支撐環(huán)境工程新工科人才的培養(yǎng)。

1 設(shè)計思路與系統(tǒng)架構(gòu)

依托環(huán)境工程國家級一流本科專業(yè)建設(shè)，面向我國雙碳戰(zhàn)略下生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求，以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力和解決實際工程問題的高層次應(yīng)用型新工科人才為目標(biāo)，自主研發(fā)危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真。實驗設(shè)計堅持“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、產(chǎn)教融合、創(chuàng)新實踐、思政融于課程”的理念，以危險廢物的全生命周期為主線，采用3D 建模、音樂動畫、人機(jī)交互等技術(shù)構(gòu)建危險廢物分類收集、貯存轉(zhuǎn)運到處理處置全流程的虛擬仿真設(shè)計，實現(xiàn)從“搖籃到墳?zāi)埂比^程的實驗操作。整體設(shè)計架構(gòu)見圖1。

圖1 危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真總體架構(gòu)

2 核心要素仿真構(gòu)建

以學(xué)生沉浸式的學(xué)習(xí)為目的，構(gòu)建虛擬環(huán)境場景，模擬人類在生產(chǎn)生活各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的危險廢物，引導(dǎo)學(xué)生化身“環(huán)保工程師”，實施從收集、貯存到處理處置的全生命周期過程，提升學(xué)生固廢資源化、源頭減量化、能耗降低、碳排放減少的環(huán)保理念。本實驗主要通過對危險廢物源頭、過程和終端處置全過程的仿真，達(dá)到對學(xué)生全生命周期沉浸式、情景式的實踐教學(xué)。

2.1 危險廢物分類收集

此模塊以《國家危險廢物名錄（2021 年版）》為依據(jù)［15］，以危險廢物產(chǎn)生的4 個主要空間環(huán)境為仿真場景（見圖2），讓學(xué)生通過沉浸式的漫游，分別進(jìn)入不同場景去識別各類危險廢物，并完成危險廢物的分類收集。該模塊包含4 個步驟：

圖2 危險廢物分類收集設(shè)計與場景

步驟1社區(qū)危險廢物的分類收集與豁免規(guī)定。

步驟2學(xué)校等科研教學(xué)機(jī)構(gòu)危險廢物的來源與分類收集。

步驟3醫(yī)院危險廢物的特殊規(guī)定與分類收集。

步驟4工業(yè)園區(qū)危險廢物的種類與分類收集。

交互操作與評價同步進(jìn)行，學(xué)生在操作過程中錯誤的操作會及時反饋。

2.2 集中貯存與安全轉(zhuǎn)運

危險廢物從用戶貯存庫房轉(zhuǎn)運至危險廢物處置中心分類入庫的流程以2D、3D虛擬仿真技術(shù)完整呈現(xiàn)。此模塊通過任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行貯存轉(zhuǎn)運認(rèn)知到分類入庫標(biāo)準(zhǔn)流程，完成從用戶到處置中心的轉(zhuǎn)運入庫，為下一步方案制定及執(zhí)行打下基礎(chǔ)。在分類入庫環(huán)節(jié)通過危險品閃點、熱值、揮發(fā)性等情況為不同的廢物進(jìn)行庫房的分配。如若選擇錯誤，系統(tǒng)會實時提醒學(xué)生反思進(jìn)行修正。集中貯存安全轉(zhuǎn)運主要場景見圖3。

圖3 集中貯存與安全轉(zhuǎn)運主要場景

2.3 危廢處置方案制定

此模塊引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)處置方案制定的原則、各類處理處置方法認(rèn)知，根據(jù)危險廢物特性完成預(yù)處理及處置方案的制定。處理處置原則步驟包括“資源化”“減量化”“無害化”三大原則認(rèn)知和考核。危險廢物各項預(yù)處理技術(shù)包括粉碎、過濾、固化等，處置技術(shù)包括焚燒、物化、填埋等［16］，通過認(rèn)知學(xué)習(xí)處理處置技術(shù)掌握適應(yīng)的廢物類型。此環(huán)節(jié)讓學(xué)生掌握不同危險廢物的處理處置方案并熟悉工藝流程。在此基礎(chǔ)上，“危險廢物預(yù)處理方案制定”步驟為不同危險廢物匹配正確的預(yù)處理方法，“危險廢物處置方案制定”步驟為不同危險廢物匹配正確的處置方法。此模塊完成后生成不同類型危險廢物全生命周期處理路線圖。此模塊邏輯流程見圖4。

圖4 危廢處理與處置方案中各模塊邏輯流程圖

2.4 處置中心處理與處置

處置中心處理處置模塊以危險廢物處置廠為原型，采用三維虛擬仿真技術(shù)形象、全面地仿真危廢處理中心的核心處置設(shè)施。包括焚燒處理系統(tǒng)（固體預(yù)處理-液體預(yù)處理-焚燒系統(tǒng)）、物化處理系統(tǒng)（重金屬酸堿廢液處理-廢乳化液處理）、安全填埋系統(tǒng)（固化穩(wěn)定化-安全填埋）。處置中心虛擬仿真場景如圖5 所示。焚燒處理系統(tǒng)執(zhí)行危險廢物焚燒的預(yù)處理操作，對不同危險廢物進(jìn)行配伍合格后進(jìn)入危險廢物的焚燒流程。物化處理系統(tǒng)涵蓋了含重金屬廢酸堿液物化處理和廢乳化液的物化處理。安全填埋系統(tǒng)包括危險廢物固化與穩(wěn)定化預(yù)處理和安全填埋操作。

圖5 處置中心主要虛擬場景

危險廢物入爐前應(yīng)根據(jù)焚燒爐的性能要求對危險廢物進(jìn)行配伍，其熱值、主要有害組分含量、可燃氯含量、重金屬含量、可燃硫含量、水分和灰分符合焚燒處置設(shè)施的設(shè)計要求。本實驗設(shè)計入爐熱值高于14 650 MJ/kg（3 500 kcal/kg）、硫含量低于2%、氯含量低于2%、氟含量低于0.1%、磷含量低于0.5%；根據(jù)各類物料的配伍因子值確定不同物料的配伍量，以達(dá)到入爐要求。固化環(huán)節(jié)中需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定3 種不同的固化劑配比方案，得到浸出液中4 種重金屬的相關(guān)參數(shù)的實驗報告，并判斷配比的浸出液中重金屬濃度是否達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)［17］。學(xué)生需要根據(jù)固化穩(wěn)定化實驗操作結(jié)果，分析水泥添加比例對混合物料重金屬浸出濃度的影響，并從經(jīng)濟(jì)成本、效果、處理效率等方面討論不同方案的優(yōu)缺點。

2.5 減污降碳拓展模塊

當(dāng)前，我國生態(tài)文明建設(shè)同時面臨實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)和實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和兩大戰(zhàn)略任務(wù)，開展減污降碳協(xié)同治理已成為我國深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的重要方向。減污降碳拓展模塊以加深學(xué)生對減污降碳協(xié)同處理的認(rèn)知思考為目標(biāo)，從減污降碳協(xié)同治理知識背景、危險廢物及資源化利用方式到制定減污降碳協(xié)同仿真方案，引導(dǎo)學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題到分析問題，再到解決問題。在協(xié)同處理實驗設(shè)計中，選擇合適的空白和對照實驗中煤炭與油基巖屑配比，根據(jù)結(jié)果讓學(xué)生加深理解資源化利用、減污降碳協(xié)同處理的意義。

3 實驗教學(xué)設(shè)計

3.1 實驗教學(xué)目標(biāo)

減污降碳協(xié)同治理是生態(tài)文明建設(shè)和實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵路徑，其中危險廢物的減量化、無害化和資源化處理處置是該關(guān)鍵路徑的重要環(huán)節(jié)，該方向人才的實驗技能是培養(yǎng)的重要內(nèi)容。作為《固體廢棄物處理與處置實驗》獨立實驗課程的實驗項目，通過本實驗要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)：

（1）掌握危險廢物從源頭產(chǎn)生分類收集、集中貯存安全轉(zhuǎn)運、到處置中心處理處置全生命周期的過程管理、工藝流程和關(guān)鍵知識能力。

（2）了解危險廢物主要的預(yù)處理與處置技術(shù)，掌握不同實驗參數(shù)對焚燒配伍、物化處理及固化穩(wěn)定化效果的影響規(guī)律，具備對不同類別危險廢物匹配合理處理處置方案的能力。

（3）了解危廢減污降碳協(xié)同處置的關(guān)鍵因素和減污降碳的效果評價，培養(yǎng)學(xué)生雙碳戰(zhàn)略下減污降碳協(xié)同增效的理念、系統(tǒng)分析能力和解決實際工程問題的創(chuàng)新實踐能力。

3.2 實驗教學(xué)過程

實驗教學(xué)過程以問題引導(dǎo)和驅(qū)動下的探究式教學(xué)模式為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。在實驗課程教學(xué)前的2 周，將實驗系統(tǒng)的視頻簡介、引導(dǎo)視頻及實驗要求一并發(fā)給學(xué)生；實驗課前，學(xué)生通過教材和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等電子資源自主學(xué)習(xí)相關(guān)理論，針對實驗內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和準(zhǔn)備；課上，老師通過應(yīng)用引發(fā)的理論與技術(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行研討交流，形成一定的共識或爭議；以實驗系統(tǒng)為依托，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的認(rèn)識去仿真操作，發(fā)現(xiàn)不足并引出新問題；在老師的引導(dǎo)下根據(jù)所學(xué)理論進(jìn)行改進(jìn)嘗試和探究，找出解決問題的辦法，在仿真系統(tǒng)上說明改進(jìn)的效果，提交實驗結(jié)果，撰寫實驗報告。老師在其間只起到引導(dǎo)、釋疑和推動作用。

該實驗虛擬仿真4 個學(xué)時，學(xué)生可在整個場景和情境中進(jìn)行交互性操作。實驗流程為：登錄系統(tǒng)-視頻學(xué)習(xí)-開始實驗-領(lǐng)取任務(wù)-危險廢物分類收集-集中貯存安全轉(zhuǎn)運-危廢處置方案制定-處置中心處理處置-減污降碳拓展模塊-上傳成績-報告討論-提交報告-實驗結(jié)束-退出系統(tǒng)-教師發(fā)布成績（見圖6）。

圖6 實驗操作全流程圖

3.3 實驗教學(xué)方法

基于危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真教學(xué)平臺，采用沉浸漫游與任務(wù)驅(qū)動同步、自主設(shè)計與進(jìn)階引導(dǎo)同步、交互操作與反思評價同步“三同步”的實驗教學(xué)方法（見圖7），實現(xiàn)本實驗虛擬仿真教學(xué)的目標(biāo)。

圖7 危險廢物全生命周期處理處置實驗虛擬仿真“三同步”教學(xué)方法

（1）沉浸漫游與任務(wù)驅(qū)動同步。實驗中引導(dǎo)學(xué)生化身“環(huán)保工程師”，進(jìn)入虛擬世界，系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)：以工程師角色完成一個地區(qū)的危險廢物的全生命周期處理處置。學(xué)生帶著任務(wù)，進(jìn)行自主探索和互動協(xié)作學(xué)習(xí)，模擬收集、貯存、處理處置人類在生產(chǎn)、生活各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的危險廢物。學(xué)生通過任務(wù)引導(dǎo)認(rèn)知全生命周期的內(nèi)涵，掌握從源頭控制污染，減少污染排放，廢物資源化的工藝和技術(shù)，深刻了解從源頭、過程到最終的全生命周期的危險廢物的處理處置，提升對危險廢物全方位的認(rèn)知。學(xué)生提前進(jìn)入“環(huán)保工程師”的工作狀態(tài)，感受工程師的“責(zé)任感”和“成就感”，通過沉浸漫游與任務(wù)驅(qū)動同步的實驗教學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生分析問題、解決問題能力的提升。

（2）自主設(shè)計與進(jìn)階引導(dǎo)同步。實驗設(shè)計中，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗，在焚燒配伍、固化穩(wěn)定化等環(huán)節(jié)自主調(diào)整參數(shù)，對比不同參數(shù)的結(jié)果差異，引導(dǎo)思考重新選擇。通過操作，學(xué)生能自主探索和比較各種配伍參數(shù)、固化參數(shù)的不同效果，鍛煉學(xué)生的自主探索能力和創(chuàng)新思維?；诋?dāng)前碳中和背景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)階思考實現(xiàn)低碳減排的方案和路徑。設(shè)計中從減污降碳協(xié)同治理知識背景、危險廢物及資源化利用方式到減污降碳協(xié)同處理方案的制定，提升學(xué)生固廢資源化、源頭減量化、降低能耗、減少碳排放的環(huán)保理念。

（3）交互操作與反思評價同步。在每個實驗步驟中，以“認(rèn)知提示”“任務(wù)引導(dǎo)”和“錯誤提示”等多種方式引導(dǎo)學(xué)生，對實驗步驟和實驗結(jié)果做出分析、判斷與決策。系統(tǒng)實時同步提供評價考核結(jié)果，學(xué)生可及時反思自己的全部操作和知識能力缺陷。學(xué)生還可根據(jù)評價結(jié)果和興趣，反復(fù)進(jìn)行仿真。學(xué)生通過人機(jī)交互，明確自身存在的知識能力不足，通過自主學(xué)習(xí)及時彌補(bǔ)，在交互式實驗中深化對核心知識和技術(shù)的理解，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性的思維判斷與分析能力。

4 結(jié) 語

（1）構(gòu)建的實驗虛擬仿真系統(tǒng)全方位實現(xiàn)了從危險廢物產(chǎn)生源頭、集中貯存、安全轉(zhuǎn)運到處理處置涉及的所有知識點的實驗探究，將危險性不可逆的處理過程和實驗結(jié)果形象呈現(xiàn)，極具可觀性和吸引力。系統(tǒng)設(shè)計解決了實驗難以組織實施，也無法承受大批量的學(xué)生同時實驗的難題，有效拓展了實驗內(nèi)容的深度和廣度，提升了減污減碳處理的學(xué)習(xí)效果，凸顯了實驗虛擬仿真的優(yōu)勢。

（2）依托該實驗虛擬仿真教學(xué)，切實拓展以任務(wù)引導(dǎo)和問題導(dǎo)向為主要形式的實驗教學(xué)方法，通過讓學(xué)生自主操作、調(diào)整主要參數(shù)，實現(xiàn)對處理規(guī)律的影響探究，結(jié)合軟件的自動評分系統(tǒng)，讓學(xué)生能直觀看到實驗效果，有效調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，推進(jìn)了問題導(dǎo)向式教學(xué)方法的普遍運用。

（3）以最新的相關(guān)技術(shù)規(guī)范為依據(jù)，校企協(xié)同，將企業(yè)最先進(jìn)的處理處置技術(shù)融入實驗虛擬仿真，通過進(jìn)階式的任務(wù)體系，讓學(xué)生完成減污降碳協(xié)同的知識內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生雙碳戰(zhàn)略下的低碳環(huán)保協(xié)同理念。教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成有助于學(xué)生畢業(yè)后快速適應(yīng)環(huán)保工程設(shè)計與施工等工作或從事固體廢棄物處理與資源化等科學(xué)研究，為畢業(yè)生成長為高層次應(yīng)用型“新工科”人才奠定重要的基礎(chǔ)。