农村水环境治理虚拟仿真实验的建设与应用

张 艳, 柳 丹, 王懿祥, 曹玉成, 李 梅, 骆林平

(1. 浙江农林大学 资源与环境学院, 浙江 杭州 311300; 2. 浙江农林大学 实验室与设备管理处, 浙江 杭州 311300)

在我国农村,随着畜禽养殖业的蓬勃发展,污水排放量急剧增加,部分水体氮、磷、有机物含量超标,破坏了乡村居住和生态环境。然而截至2015年底,全国88.65%的行政村尚未对生活污水进行集中处理[1]。由于农村污水水质、水量及排放特征与城镇生活污水和工业污水相差甚大,所以农村水环境治理的方案、工艺等与城镇污水不同。

“水污染控制工程”是高校环境工程专业核心主干课程之一,但该课程的实践教学受到设备、场地、时间和经费限制。虚拟仿真技术的引入为实践教学带来了新发展,但目前水处理虚拟仿真软件还很少,而且通常是模拟一个装置或某一项工艺[2],缺少完整的工艺流程,而且没有针对农村污水处理的内容[3]。浙江农林大学是一所以农林、生物环境学科为特色的浙江省属重点建设高校,学校的环境工程专业致力为农村、农业污染防治培养专业特色人才。为了使学生学好“水污染控制工程”这门课程,熟练掌握应用专业技术,开发并建设了农村水环境治理特色虚拟仿真实验。

1 农村水环境治理实验系统的设计

农村水环境治理实验系统牢牢抓住农村水环境治理这一核心,把握农业集约化、市场化生产经营对水环境造成的影响,结合农村稳步改善的经济条件和农业人口不断提高的生活环境需求,按照新农村居民点布局及规划设计方案设计水环境治理的工艺流程,突显农村特色,实现经济效益、环境效益和生态效益共赢。

1.1 需求设计

农村水环境治理不同于城镇污水处理和工业污水处理,不是简单地建造一个污水处理厂,它涉及农村经济发展模式、新农村的整体规划和农村生态环境保护等多个方面,最终要与农村的生产、生活融为一体。

(1) 以农村污废水为处理对象。以农民生活和农业生产过程中产生的污水、废水为处理对象,分析其物理性质、化学性质和生物性质,针对污水、废水的性质与污染指标,选择适合的处理工艺、设备。

(2) 需要完整的工艺流程。包括截留大块悬浮物和漂浮物,将大分子有机物变成小分子有机物,各种污染物质的降解,泥水分离等全部工艺流程,各工序完整、联系紧密。

(3) 绿色清洁,杜绝二次污染。无论是对水处理工艺的选择,还是对副产物的处置,都要遵循绿色、环保、清洁、可持续发展的原则,把控全程,防止二次污染,充分实现废弃物资源化利用,达到治理有效、生态宜居的目标。

1.2 教学目标设计

农村水环境治理实验安排在“水污染控制工程”课程教学完成之后,目的是强化理论教学效果,补充实践教学设计、操作内容。

通过实验课程完成以下教学目标:

(1) 进一步理解、掌握格栅池、辐流式沉淀池、厌氧池、调节池、UASB(up-flow anaerobic sludge bed/blanket)、SBR(sequencing batch reactor)、氧化塘、人工湿地等工艺的工作原理或净化机理、适用条件、设计原则、计算等;

(2) 熟练操作各主要装置设备、水泵、风机; 熟练调控进水、反应、排水、排泥、闲置等工序;

(3) 学会根据污水特征选择适合的处理工艺、计算参数、设计工艺流程,灵活运用各工艺、装置、设备。

1.3 特征设计

农村水环境治理实验设计凸显以下特征:

(1) 针对性。农村水环境治理实验以农村生活污水和畜禽养殖废水为主要治理对象,针对水中高浓度的有机物、氮、磷等污染物选择最适合的处理工艺。

(2) 完整性。农村水环境治理实验选取一级物理处理、二级生物处理和深度处理等工序,包括从进水到出水的全部处理过程,并且还包括处理过程中产生的二次污染物的处置过程。

(3) 资源化利用。对于水处理的过程中产生的二次污染物污泥和沼气,采用污泥堆肥、沼气发电等废弃物资源化工艺,实现农村水环境治理系统全程清洁生产,绿色节能。

(4) 适用性。针对农村水污染物特征,选用适合农村特殊环境的污/废水处理工艺,例如,SBR、UASB、人工湿地、氧化塘等。SBR(sequencing batch reactor)工艺组成简单、高效、稳定,适合中小水量污水的处理,尤其适用于污水中氮、磷的去除; UASB(up-flow anaerobic sludge bed/blanket)有很高的有机污染物去除率,能适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH变化,适用于处理畜禽养殖场的高浓度有机废水[4]; 人工湿地和氧化塘工艺简单,建设、运营成本低,操作、管理简便,系统基本无能耗,污泥零排放,出水水质好,对于有机污染物,特别是氮和磷的处理效果显著。

还可充分利用地形,发展种植、养殖业,在净化污水的同时可以获得可观的经济效益,真正实现污水的资源化利用，因而特别适用于土地资源不紧张的农村地区。

1.4 主要工艺流程

农村水环境治理虚拟仿真实验包括生活污水处理、禽畜粪便污水处理、污泥堆肥生产、沼气发电等4个主要工艺流程,如图1—图4所示。

图1 农村生活污水处理工艺流程

图2 禽畜粪便污水处理工艺流程

图3 污泥堆肥工艺流程

图4 沼气发电工艺流程

2 农村水环境治理虚拟仿真实验软件的开发

为实现农村水环境治理虚拟仿真实验的功能,全方位展示水环境治理的工艺流程、工作原理和运行状态,该虚拟仿真实验软件采用C++语言并通过Visual Studio工具进行程序开发。使用SVN、Microsoft Project等工具进行程序版本控制和项目管理。选取MySQL作为数据库管理系统,通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真,并通过Maya、3ds Max等工具制作仿真资源(贴图、动画、模型)[5],实现农村污水处理全过程、多角度仿真,在设计和建设的过程中,注重细节、力求逼真。

2.1 以真实乡村为原形进行实景摄取

虚拟仿真实验系统以浙江省某村为原型,该村的水环境治理厂为本学科教师设计。虚拟仿真实验设计农村生活污水进水量为50 m3/d; 禽畜粪便污水进水量为1 000 m3/d; 出水中CODCr、BOD5、NH3-N、TP、SS含量执行GB 18918-2002 《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准。

2.2 工艺流程图和处理现场图的配合使用

4个主要工艺流程都配有仿DCS(distributed control system)界面的工艺流程图和处理仿真界面图。图5为农村生活污水处理仿真界面。

图5 农村生活污水处理仿真界面

仿DCS界面的工艺流程图标注了各装置、设备、构筑物的名称、位号和结构,展示了各阀门、风机、泵的位置,管道的布设,以及泥、水、气的线路和走向,使工艺流程真实、具体地展现出来,让学生了解每个阀门的作用和每条管道的功能。处理现场图展示了主要工序的工作运行场景[6],使用flash、3ds Max制作出动画文件,形象、逼真的演示污水进入系统后的流动和变化,泥、气的产生,使学生如身临其境,对整个工艺流程一目了然。

2.3 设备剖面图和工作原理动画的配合使用

粗格栅、污泥脱水机、辐流式沉淀池等主要设备都有剖面图和工作原理动画。图6为辐流式沉淀池剖面图。设备剖面图让学生清楚的了解这些主要设备内部结构和构造,弥补了工厂实习不能随意拆卸设备的不足[3]。工作原理动画动态展示了该设备的运行状态,把课本中用文字和图片描述的设备和原理,立体、生动的演绎出来。

图6 辐流式沉淀池的剖面图

2.4 参数设置和工况选择相配合

虚拟仿真实验的4个主要工艺流程的参数是按照实际工艺设置的,可通过仿真实验界面进行参数设置和工况选择。每道工序的参数都可以让学生自己动手设置,增加了学生实际操作经验。该虚拟仿真实验还设置了正常开车和污泥泵故障2种工况,可以锻炼学生处置突发事故的能力[7]。正常开车又包括进水操作、曝气操作、排泥操作和沼气发电操作4个步骤。

2.5 知识点讲解和仿真模拟相配合

除了设备装置、工艺流程的虚拟仿真外,每道工序和每个工艺流程都配有知识点的讲解,可以用于虚拟仿真实验开始前的预习,也可以用于实验结束后的复习,使学生加深对理论知识的理解和记忆[8]。

2.6 教学管理和学习使用相配合

农村水环境治理虚拟仿真系统采用C/S、B/S架构相结合的架构方式。通过B/S架构,用户可以访问管理平台,查看相关功能(软件列表、课程列表)和统计信息(学习记录、考试成绩)[9-11]。

教师可在虚拟仿真系统中进行实验教学安排、考核管理、班级管理、成绩管理等操作，可根据教学计划进行线上的仿真考试,统一启动和控制虚拟仿真实验项目,评判成绩,统计分数，从而掌握学生的学习效果,有针对性地指导学生学习。

学生可在线下进行仿真练习,在练习过程中可以得到关于知识点、实验步骤和操作方法的指导和提示,实验结果由虚拟仿真系统自动评判并给出成绩,还可显示不得分原因，通过查漏补缺,加深理解,熟练操作。

3 农村水环境治理虚拟仿仿实验系统的应用

自农村水环境治理虚拟仿真实验系统在我校建成并投入使用以来,受到了师生的一致好评。学生的工程设计能力不断提高,在各类竞赛中取得了优异的成绩,获得了全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖、2018年全国大学生化工设计竞赛华东地区二等奖、第十二届浙江省大学生化工设计竞赛二等奖等多个奖项。随着虚拟仿真实验系统的不断完善,对该系统的应用也在探索中逐步加深。

3.1 应用于课堂教学

课堂教学一直是传授专业理论知识的主要形式。在课堂教学中引入虚拟仿真实验,对于提高工程类课程教学质量效果十分突出。利用该虚拟仿真实验系统中知识点的讲解和主要设备的剖面图、工作原理演示动画,使学生对该部分内容有总体的认识和初步的理解,上课时可重点听取疑难内容。课前预习形式多样化,可增加学生课前预习的兴趣。课后还可利用该虚拟仿真实验进一步熟悉各主要工艺和关键设备的工作原理、使用范围、功能特点和操作方法,加深对水处理工艺流程的理解和运用。

3.2 应用于真实实验课程

虚拟仿真实验与真实实验课程相结合,可以延长实验课时间,拓展实验室空间和实验教学内容,突破经费和设备台套数的限制[12],真正实现开放式、一对一的实验教学。在虚拟仿真实验系统中,学生可以见识到工程中使用的真实设备和完整的工艺流程。当输入参数和操作有误时,系统会出现提示,还可给出错误的原因和正确的做法。教师不仅限于在课堂上,在课后依然可以查看学生学习情况和指导学生学习,通过系统的交流窗口可以与学生及时沟通,增加了师生交流机会,提高了学生实验课的体验度,增强了学生自主学习的兴趣。

3.3 应用于工程实践

专业实习是工科专业教学中必不可少的教学环节。但在实际的实习中,往往会受到时间因素、安全因素、生产因素的影响,学生动手操作的机会十分有限,达不到期望的实习效果[13]。而在虚拟仿真实验系统中,学生不但可以充分练习各装置的开停车操作、参数设置以及紧急事故处理等内容,练习操作技术，还可以观察到设备、装置的内部结构和管道中泥、水、气的流向、状态,调控整个处理过程,把控全局,增强学生的专业自信。

3.4 应用于科学研究

该虚拟仿真实验系统采用经典模型计算,经原型工程实际排水质量检测数据校正,通过系统的交互式操作和后台运算,可产生和真实实验一致的实验现象和结果[14]。学生通过对农村水环境治理工艺的学习和虚拟仿真软件的操作,在掌握了原理、工艺和操作的基础上,可以灵活运用该软件进行课程设计,申报大学生创新项目和参与教师科研。学生可借助虚拟仿真系统自行设计实验,发现问题,与教师或同学分析问题,在解决问题的过程中释放自身潜能,培养创新意识。