基于虚拟仿真的污水处理实验教学

刘加强　张建昆

摘 要 鉴于水处理传统实验教学的局限性，结合现有的污水处理实训实验装置平台，开发污水处理虚拟仿真教学软件。通过虚拟仿真教学与实验教学相结合，有利于加深学生对污水处理构筑物的认识和理解，提高教学质量。

关键词 虚拟仿真；污水处理；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：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

了解并掌握污水处理厂的工艺流程、设计方法和基本运行参数，对给排水科学与工程专业学生来说是十分重要的。随着水环境污染的加剧，为达到处理标准，水处理工艺变得越来越复杂，水处理工艺系统设计运行管理和优化改造过程在教学中难以直观体现，学生在生产实践过程中难以了解其内部构造原理。另外，实物实验教学中还存在如下问题。

1）污染问题。因在水处理实验中需要用到各种各样的化学药剂，以致实验排放的废水成分复杂，处理成本高。

2）经费问题。随着技术进步，一些新的水处理技术也在不断涌现，由于经费问题，往往会造成实验设备更新跟不上科技进步的步伐，这就限制了做一些实验的可能性。另外，学生操作实体设备损耗较大，且实体设备价高、数量少，无法满足学生人人动手操作的需求。

3）时间、空间问题。在实际实验教学中，都要求学生在指定的地点、特定的时间内完成实验任务，学生只能是被动地、不充分地准备实验，缺乏主动灵活性和重复性。

4）效率低[1]。在实际实验教学中，人为性较强，实验操作过程的演示不够全面及细致，实验注意事项繁多，学习枯燥，效率不高。

因此，单纯依靠课堂教学和传统实验培训已远远不能满足学生的培养要求。

虚拟仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学要求和目的，它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶[2]。在实物实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的，而在仿真实验中，不存在实物形态的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作[3]。在大数据背景下，水处理虚拟仿真通过对大量已有环境数据的建模和3D仿真设计，为水处理教学科研建立虚拟境界，使学生在虚拟环境中开展水处理工程的实验操作，以激发学生的学习兴趣，深化学生对水处理技术内部机理的认识，增强实验教学效果[4]。

2 污水處理实训实验装置

污水处理实训实验装置具有一级物化处理、二级生物处理与三级深度处理等工段，具备SBR、UASB（EGSB）、氧化沟、A/O污水处理工艺、A2/O污水处理工艺、MBR、曝气生物滤池等多处理单元，能够实现单一工艺或多种工艺的组合运行。该装置可根据用户需要在线调节系统流量及回流比；可进行在线水质监测参数反馈；可进行容器内液位监控，并设置液位报警，保证系统安全运行；可进行自控/手控切换操作，方便调试。

该装置的主要技术指标如下。

1）处流流量：50～100 L/h。

2）工作电源：AC220V/380V±10%。

3）安全保护：具有漏电自动保护装置。

4）进水要求：SS<600 mg/L、COD<800 mg/L、BOD5<

300 mg/L、NH3-N<50 mg/L、TP<8 mg/L，pH值为6～8。

5）出水标准：出水SS、COD、BOD5、NH3-N、TP、pH等主要指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-

2002）》一级A排放要求。

工艺流程大致如图1所示。该实验装置的主要缺陷是：

1）装置成本较高且占地面积大；

2）处理水量有限；

3）需要日常的运行维护管理；

4）学生实训操作受时间、空间的限制。

3 虚拟仿真实验教学

虚拟仿真软件系统包括污水处理厂操作过程模拟，格栅池、沉淀池、厌氧/缺氧/好氧池等设计和运行参数，污泥处理系统和污水处理能力分析等模块，可以通过交互操作，简便地模拟整个工艺流程内不同进水水质水量对处理效果的影响，并可调整各单元处理设施的设计参数，讨论不同设计参数与废水处理效果之间的关系，显示针对不同的进水水质和水量，各种运行工况下，出水的水质情况和整个系统的处理效率。虚拟仿真软件界面如图2～图6所示。

通过虚拟实验，学生可直观了解整个污水处理厂的工艺流程，单元处理构筑物的结构设计，污水脱氮除磷的基本原理和相关的运行参数以及污水处理厂污泥处理相关知识，掌握污水处理厂的设计要素和运行条件。

4 结语

徐州工程学院环境工程学院基于现有污水处理实训实验装置平台特点和数据资源条件，开发污水处理工艺流程虚拟仿真软件，有力地解决和弥补实验教学存在的缺陷和不足。虚拟仿真教学是实验教学很好的补充，应充分发挥虚拟仿真教学特点，使虚拟仿真与实体实验教学资源配合，做到虚实结合、相互辅助，不断扩展实验教学内容。在虚拟仿真实验教学过程中，要注意课堂教学和实验教学内容之间的衔接。通过虚拟仿真教学与实验教学相结合的方式，有利于加深学生对水处理构筑物的认识和理解，有利于激发学生的学习积极性，有利于培养学生的实践能力与创新能力，为传统的实验教学注入新的活力，提高学校的本科生培养质量。

参考文献

[1]刘芳，王永强，卢磊，等.仿真实验在水处理工程实验教学中的应用探讨[J].广州化工，2013，41（13）：286-288.

[2]李家明.仿真在化学实验教学中的应用探讨[J].钦州学院学报，2011（3）：65-68.

[3]冯长江，陈月魁.论仿真实验在实验教学中的地位和作用[M]//全国高等学校电子技术研究会论文集.2010.

[4]金文，李浩，吴奇.水处理仿真实验教学设计与实践[J].中国现代教育装备，2016（5）：24-26.