从混凝工艺的实践环节看给水排水工程应用型人才创新能力的培养

曹长春，曾鸿鹄，林 华

(桂林理工大学环境科学与工程学院给水排水工程室，广西桂林541004)

给水排水工程专业作为给水排水行业高级人才培养和科技发展的重要支撑，伴随着国家建设与给水排水行业的发展，专业的内涵逐步丰富，外延不断拓展，专业的研究对象已从城市基础设施拓展为水的社会循环。专业面临的主要任务已从“以水量为主”转变为“水质水量并重，以水质为核心”。专业基础由力学转变为化学、生物学和水力学，并在大量融入现代生物工程、化学工程、材料工程等领域最新成果基础上，不断向高新技术方向发展，形成了具有自身特点的学科理论体系和工程技术体系。城市化与工业化的快速发展和环境保护、可持续发展战略的实施对给水排水工程专业提出了新的挑战，以水的良性社会循环为目标的给水排水行业正在迅速发展。及时跟踪给水排水行业的发展，不断完善培养方案与课程体系，培养适应社会需求的高级专业人才，作为给水排水行业的人才培养方案，专业教育必须加强与充实相关基础课程的教学内容，加快专业基础和专业课程教学内容的更新与整合，开拓适应行业发展的新课程;突出创新型人才培养，重视实践教学环节，强化实践教学环节在人才培养中的作用。本文以水质工程学中混凝工艺为例，来说明这些环节的联系与关联对培养学生创新能力的实现是非常有用的。

一 混凝工艺的理论与不同层次实践环节

1.混凝工艺的理论要点

原水中通常存在大量的胶体颗粒，是水体混浊的一个重要原因，胶体颗粒靠自然沉淀是不能除去的，胶体颗粒之间的静电斥力，胶粒的布朗运动及胶粒表面的水化作用，使得胶粒具有分散稳定性，三者中以静电斥力的影响最大。向水中投加混凝剂能提供大量的正离子，压缩胶团的扩散层，使ξ电位降低，静电斥力减小，此时布朗运动由稳定因素转变成不稳定因素，也有利于胶粒的吸附凝聚。水化膜中的水分子与胶粒有固定联系，具有弹性和较高的粘度，把这些水分子排挤除去需要克服特殊的阻力，阻碍胶粒的直接接触。有些水化膜的存在决定于双电层状态，投加混凝剂降低ξ电位，有可能使水化作用减弱。混凝剂水解后形成的高分子物质或直接加入水中的高分子物质一般具有链状结构，在胶粒与胶粒之间起吸附架桥作用，即使ξ电位没有降低或降低不多，胶粒不能相互接触，通过高分子链状物吸附胶粒，也能形成絮凝体。消除或降低胶体颗粒稳定因素的过程叫做脱稳，脱稳后的胶粒，在一定的水力条件下，形成较大的絮凝体，俗称矾花，直径较大且密实的矾花容易沉淀，以上这些要点是混凝工艺的理论知识点。光课堂上讲这些学生们理解和掌握起来是有困难的，比较抽象。教学计划中，配有相应的理论课后实验—混凝实验。

2.混凝工艺的课程实验

混凝工艺课程实验的教学内容:确定实验胶体颗粒水样的最佳投药量、观察絮凝体(矾花)的形成过程及混凝沉淀效果。基本要求是:通过观察絮凝体(矾花)的形成过程及混凝沉淀效果，加深对混凝原理的理解。通过本实验，确定原水样的混凝剂最佳投药量、最佳pH值等最佳混凝条件。目的是通过该实验，加深混凝机理和脱稳方式的理解，同时对原水中的浊度、酸碱度、混凝剂等也有一个感性认识，但这是经典的实验教学内容，对学生来说，经过这个实验过程后对所学的混凝工艺有了一个体会，教改之前的实践环节就到此为止了，没有进一步的深化。

3.混凝工艺的综合性实验

混凝工艺综合性实验是教材大纲规定内容的延伸，实验来自于给水处理工程实际，地表水源中的腐殖酸在南方地区普遍存在，传统混凝工艺主要据天然水体中的二氧化硅胶体和高岭土颗粒的存在而设计，与实际的给水处理条件相距甚远，本实验针对南方地表水源中普遍存在的腐殖酸组分，通过腐殖酸与二氧化硅、高岭土胶体相互作用，再与混凝剂相互作用，这个接近真实的条件下，让学生们再对工艺过程的运行参数进行试验，结果没有事前设定，据实验后得出。并要求学生们自已课外去提取源水中的腐殖酸，然后洗脱浓集，经红外扫描和紫外分光光度计、总有机碳分析后，测其不同的官能团的结构和含量，其高岭土、二氧化硅混合后，对混凝剂的投加量和絮凝效果有显著的影响，实验建立在饮用水处理的微污染现实基础上，同时又对传统的混凝实验有新的内容，完成其工作有实用意义。饮用水中天然有机物——腐殖酸的存在形式、亲水憎水性能、电性、分子大小等性能对混凝沉淀有重要影响，尤其是其与高岭土和二氧化硅作用后的性质复杂化，最近十多年来，国内外水处理界对其研究非常重视，桂林漓江地处南方，源水中腐殖酸含量比较丰富，研究其存在形式及性能对混凝工艺效能的影响，既有理论意义，同时也是与实际应用相结合，对给水处理工艺的改进有指导作用。显然，本综合实验是在课程规定实验内容基础上的延伸，但这个延伸并不是不可想象，而是来自于实际，所碰到的问题经学生努力后是可以解决的，但要求学生们必须看这方面的文献资料，从专业期刊上可以获取但教材上没有提到的知识，再把它变成自已的体验和收获。学生经过这个环节后，对理论学习、理论与实际相结合等空洞的东西有了体会。

4.混凝工艺的创新计划训练

在混凝工艺基本实验和综合性实验的基础上，设计了科技创新训练计划项目——水体腐殖酸和重金属镉络合作用对混凝工艺的影响。作为重金属离子，在水溶液中采用常规的沉淀工艺是难以去除的，广西是有色金属资源大省，在采矿、选矿、冶炼过程中，重金属对水源的污染是常见的状况。结合广西饮用水源遇到的新问题，研究相应的技术方案与对策。广西是有色金属锡铅锌镉的资源大省，众多矿产资源的开发基本都位于城镇居民生活饮用水取水河流的源头。大量尾矿废水长期以来的排放、溢流，不仅降低了天然有机物对重金属的容纳能力，还会源源不断地释放重金属元素，这是饮用水安全的重大潜在威胁。广西属亚热带季风气候，非常适合地表和水体植物的生长，形成了丰富的地表腐殖质，其对重金属的络合有重大作用。研究腐殖酸对重金属的络合对常规混凝工艺运行影响，对现运行水处理工艺的改进(调整)就显得十分必要。

通过在实验室的研究，深入了解重金属离子与腐殖酸络合并吸附于颗粒物(主要是开矿产生的高岭土)机理，投加混凝剂后的凝聚絮凝机理，研究聚合氯化铝用量、pH值、腐殖酸浓度，离子强度对腐殖酸和金属离子的去除效果的影响，确定运行中的聚合氯化铝参考最佳用量，为受微污染饮用水源的水质安全提供技术。

利用腐殖酸(HA)本身具有同金属离子络合并且以胶体形式广泛存在于天然水体、生活用水和工业废水中的特点，分别对腐殖酸与聚合氯化铝絮凝剂协同作用处理水中重金属离子污染物的可行性进行了研究。为腐殖酸应用于工业重金属污染物的处理影响提供了相关分析和理论依据。在微小颗粒物存在条件下，利用絮凝剂聚合氯化铝(PAC)、天然腐殖酸(HA)同时作用去除水体重金属离子Cd2+，从而达到更彻底去除水体中该重金属离子的目的。分别就PAC和HA用量、pH值条件、颗粒物含量、离子强度，对上述金属离子的去除作用等进行了系统研究;探讨了PAC和HA共存条件下重金属络合絮凝沉降的机理。发现采用HA先络合并吸附于微小颗粒物再用PAC絮凝的方法只要在不同的酸度条件下严格控制絮凝剂的用量在相应的最佳絮凝区间就可以达到对于水体中重金属离子有很好的去除作用效果，对给水处理有很好的现实指导意义。

该课题则在前两个实验训练的基础上更进了一步，主要的知识点还是混凝工艺，但条件不同了，课程实验一切皆在控制之中，从实验试剂、实验条件、实验结论都是成熟的东西，学生只是验证性的、重复性的做做而已，当然了也加深了所学的理论知识。但对学生而言缺少挑战性，也是学生学习积极性不高的原因之一。混凝的综合性实验把原水条件放到真实的环境中，要研究腐殖酸与颗粒物的相互作用，然后才是与混凝剂的相互作用，这个复杂性高多了，而且实验结论也因样品不同而不同，带有研究的性质，有不确定性。实验挑战性加大了，但并非不可克服，只要学生花点时间，阅读点相关文献，对已掌握的理论进行变通，完全可以做好。混凝的创新训练计划则在综合性实验的基础上结合地方的社会经济发展中遇到的问题提出解决办法与方案，学以致用，真正进入了实际应用阶段。我们知道，2011年1月15号，发生于广西柳江上游的龙江重金属镉污染事件震惊中外，影响巨大，下游城市柳州的生活饮用水源关闭，整个城市的社会生活秩序都受到影响。作为给水排水工程专业的学生，市政给水的处理和安全饮用水的供应是义不容辞的责任，以此为背景，在调研了国内外研究动态后提出了腐殖酸螯合重金属镉，再对其混凝沉淀的课题，同学们也兴趣浓，激积性高，目前课题研究试验工作正在进行中。

二结论

应用型工程技术人才创新能力的培养是社会和学校的共识，实践教学是给水排水工程专业教学中的重要组成部分，是培养学生综合运用知识、动手能力和创新能力的关键环节，它的作用与功能是理论教学所不可替代的。从培养学生创新能力方面看，科学设计课程实验、综合性实验、创新计划训练型实验项目，使其相互衔接，逐渐深化，理论与实际相结合，实验内容来自于工程实际等对学生的创新能力培养是有效的。从工程应用能力方面看，把课程设计、生产实习、毕业实习结合起来，结合工程实践做毕业设计，学生的工程能力会相应提高。

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