基于虛擬仿真的污水處理實驗教學

劉加強　張建昆

摘 要 鑒于水處理傳統實驗教學的局限性，結合現有的污水處理實訓實驗裝置平臺，開發污水處理虛擬仿真教學軟件。通過虛擬仿真教學與實驗教學相結合，有利于加深學生對污水處理構筑物的認識和理解，提高教學質量。

關鍵詞 虛擬仿真；污水處理；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：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、設計方法和基本運行參數，對給排水科學與工程專業學生來說是十分重要的。隨著水環境污染的加劇，為達到處理標準，水處理工藝變得越來越復雜，水處理工藝系統設計運行管理和優化改造過程在教學中難以直觀體現，學生在生產實踐過程中難以了解其內部構造原理。另外，實物實驗教學中還存在如下問題。

1）污染問題。因在水處理實驗中需要用到各種各樣的化學藥劑，以致實驗排放的廢水成分復雜，處理成本高。

2）經費問題。隨著技術進步，一些新的水處理技術也在不斷涌現，由于經費問題，往往會造成實驗設備更新跟不上科技進步的步伐，這就限制了做一些實驗的可能性。另外，學生操作實體設備損耗較大，且實體設備價高、數量少，無法滿足學生人人動手操作的需求。

3）時間、空間問題。在實際實驗教學中，都要求學生在指定的地點、特定的時間內完成實驗任務，學生只能是被動地、不充分地準備實驗，缺乏主動靈活性和重復性。

4）效率低[1]。在實際實驗教學中，人為性較強，實驗操作過程的演示不夠全面及細致，實驗注意事項繁多，學習枯燥，效率不高。

因此，單純依靠課堂教學和傳統實驗培訓已遠遠不能滿足學生的培養要求。

虛擬仿真實驗是利用計算機創建一個可視化的實驗操作環境，其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備，即可進行各種實驗，達到與真實實驗相一致的教學要求和目的，它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識多方面結合的結晶[2]。在實物實驗中所采用的實驗工具、實驗對象都是以實物形態出現的，而在仿真實驗中，不存在實物形態的實驗工具與實驗對象，實驗過程主要是對虛擬的實驗儀器及設備進行操作[3]。在大數據背景下，水處理虛擬仿真通過對大量已有環境數據的建模和3D仿真設計，為水處理教學科研建立虛擬境界，使學生在虛擬環境中開展水處理工程的實驗操作，以激發學生的學習興趣，深化學生對水處理技術內部機理的認識，增強實驗教學效果[4]。

2 污水處理實訓實驗裝置

污水處理實訓實驗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，能夠實現單一工藝或多種工藝的組合運行。該裝置可根據用戶需要在線調節系統流量及回流比；可進行在線水質監測參數反饋；可進行容器內液位監控，并設置液位報警，保證系統安全運行；可進行自控/手控切換操作，方便調試。

該裝置的主要技術指標如下。

1）處流流量：50～100 L/h。

2）工作電源：AC220V/380V±10%。

3）安全保護：具有漏電自動保護裝置。

4）進水要求：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）出水標準：出水SS、COD、BOD5、NH3-N、TP、pH等主要指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-

2002）》一級A排放要求。

工藝流程大致如圖1所示。該實驗裝置的主要缺陷是：

1）裝置成本較高且占地面積大；

2）處理水量有限；

3）需要日常的運行維護管理；

4）學生實訓操作受時間、空間的限制。

3 虛擬仿真實驗教學

虛擬仿真軟件系統包括污水處理廠操作過程模擬，格柵池、沉淀池、厭氧/缺氧/好氧池等設計和運行參數，污泥處理系統和污水處理能力分析等模塊，可以通過交互操作，簡便地模擬整個工藝流程內不同進水水質水量對處理效果的影響，并可調整各單元處理設施的設計參數，討論不同設計參數與廢水處理效果之間的關系，顯示針對不同的進水水質和水量，各種運行工況下，出水的水質情況和整個系統的處理效率。虛擬仿真軟件界面如圖2～圖6所示。

通過虛擬實驗，學生可直觀了解整個污水處理廠的工藝流程，單元處理構筑物的結構設計，污水脫氮除磷的基本原理和相關的運行參數以及污水處理廠污泥處理相關知識，掌握污水處理廠的設計要素和運行條件。

4 結語

徐州工程學院環境工程學院基于現有污水處理實訓實驗裝置平臺特點和數據資源條件，開發污水處理工藝流程虛擬仿真軟件，有力地解決和彌補實驗教學存在的缺陷和不足。虛擬仿真教學是實驗教學很好的補充，應充分發揮虛擬仿真教學特點，使虛擬仿真與實體實驗教學資源配合，做到虛實結合、相互輔助，不斷擴展實驗教學內容。在虛擬仿真實驗教學過程中，要注意課堂教學和實驗教學內容之間的銜接。通過虛擬仿真教學與實驗教學相結合的方式，有利于加深學生對水處理構筑物的認識和理解，有利于激發學生的學習積極性，有利于培養學生的實踐能力與創新能力，為傳統的實驗教學注入新的活力，提高學校的本科生培養質量。

參考文獻

[1]劉芳，王永強，盧磊，等.仿真實驗在水處理工程實驗教學中的應用探討[J].廣州化工，2013，41（13）：286-288.

[2]李家明.仿真在化學實驗教學中的應用探討[J].欽州學院學報，2011（3）：65-68.

[3]馮長江，陳月魁.論仿真實驗在實驗教學中的地位和作用[M]//全國高等學校電子技術研究會論文集.2010.

[4]金文，李浩，吳奇.水處理仿真實驗教學設計與實踐[J].中國現代教育裝備，2016（5）：24-26.