盛 力，沈 洪，施鼎方，徐竟成

(同济大学 环境科学与工程实验教学中心，上海 200092)

0 引 言

与许多其他的工科专业课一样，水处理相关课程所涉及的是理论与实际联系特别紧密的一门知识。传统的课堂教学只能达成掌握基本理论的目标，对水处理工艺技术的深入理解和认识要在工艺实验和工程实践过程中才能获得。而常规实验教学，教学内容由于受到时间安排和场地限制，所能够传递的知识和提供的训练也非常有限。要加强教学与实际的联系，实验形式亟需改革[1-6]。本文以强化教学与实际应用的衔接为目标，借助信息技术，尝试将水处理仿真实验、虚拟实训与实验室真实实验、在线真实实验相结合，让不同层次内容和难度的实验、实训环节协同作用，加强学生实践能力的培养。

1 影响专业知识与实际应用衔接的因素

1.1 工艺过程历时长、稳定性要求高的实验不易开设

一些工艺过程，尤其是生物处理工艺，微生物发挥降解作用、分解污染物所需时间至少几小时，表征处理效果的水质污染指标的测定也要花费一定的时间。而要把微生物系统培养驯化至具有稳定处理效能的状态，需要几天甚至几十天的时间。这一类工艺的实验即使缩小运行规模、简化处理要求，也难以完全克服工作量大、周期长的问题，在常规教学过程中很难实现。

1.2 实验教学内容涵盖范围小

水处理工艺过程，组成成分和影响因素众多、相互作用关系复杂。教学实验由于时间场地限制，内容只能涵盖工艺理论的某一个小小的局部，实验条件参数较为单一、变化少，不能展现各因素协同作用下，工艺效能的全貌。而且小型模型或杯罐实验与实际水处理过程状态差异巨大，实际过程水质成分复杂，且有一定时间上的波动变化和空间上的不均匀性。这些因素必然对水中发生的物理、化学、生化反应过程产生巨大的影响，因此实验结果与实际情况存在一定的差异。

1.3 工艺实现所需知识技能之间缺乏串连

水处理过程是在一定规模的反应器中发生的，由机电设备驱动和控制水中杂质的物理化学变化过程。由此可见，水处理工艺目标的实现是以一定的水处理设施、机械为物质基础的，水处理效果与处理构筑物、泵阀风机通用设备以及工艺专用设备的性能状况直接相关。反应器构筑物、机械设备对水处理工艺的运行效果至关重要。一般在教学中，工艺实现所需的通用和专用机械设备、运行管理控制等方面的知识，分散在其他课程中。各门课程相互独立，缺少进行知识融汇贯通的环节。这样就导致学生多方面知识不能综合应用，在实践中还要花一定时间和精力重新整合。

上述因素给教学与实际应用衔接增加了难度。近年来，信息技术在实验教学中的应用日益广泛[7-10]，借助信息技术改进实验形式，为加强水处理教学与实际应用的衔接以及多方面知识的综合运用提供了一条途径。

2 虚实结合的常规实验建设

污水的生物处理工艺原理复杂、形式多样，前述问题较为突出。围绕“学以致用”的教学目标，分别以常规实验、拓展创新实验、实训等教学形式设计仿真实验、在线真实实验和虚拟实训的内容，与真实实验内容相配合，使经过这些教学过程的学生污水生物处理方面的专业实践能力明显提高。

2.1 真实实验为主，虚拟仿真为辅，实验内容更全面

活性污泥法是污水生物处理的主要方法，它利用微生物的代谢作用去除水中的有机物，微生物的增殖和有机物的降解决定污水处理的效率。这部分内容非常重要，但由于有机物的微生物降解过程耗时较长，不适宜于将活性污泥处理工艺直接在常规实验教学中进行。故将内容进行调整，开设了“污水可生化性”“曝气设备充氧性能”以及“污泥性能评价”等与活性污泥法相关的、能够在常规教学时间内完成的实验项目。但能够最直接表征污泥性能和阐释工艺过程的动力学实验却不能在常规真实实验中开出。

为此，设计建设了“活性污泥法动力学系数的测定”仿真实验。实验模拟的场景为教学实验室，画面上操作的设备为实验室使用的简易模型和仪器设备，实验原理涉及的是关于微生物生长和有机物降解比较基础的经验方程或静态数学模型。学生通过上网进行实验操作，实验过程与相关步骤图文问答、实验结果整理、报告生成等环节相互配合。上网不受时间地点限制，学生通过反复操作，对各项参数稳定状态下有机物降解和微生物繁殖的质量平衡和动力学有一个整体的认知。经过仿真实验和前述真实实验的完成过程，学生对活性污泥法基本原理能够获得较为清晰、具象的认识和一定程度的掌握。

2.2 在线连续运行实验系统和污水处理模拟系统的建设

实际污水处理工艺的运行是一个动态过程，水质水量处于连续变化的状态。在掌握活性污泥法基本原理的基础上，了解认识动态条件下工艺系统的运行规律和主要影响因素作用趋势，为实际工艺运行管理和工程设计、改造、优化做基本训练，就需要工艺连续运行实验操作以及工艺参数模拟计算等方面的教学内容。

(1)在线连续运行工艺真实实验系统。基本的动力学实验与工艺实际应用相比，还有很大的差异。这些差异主要体现在：①实际工艺中的污水水质成分更多样，各种成分对处理效果影响效应复杂；②实际工艺需兼顾多项水质指标，COD、氮、磷、悬浮物等都要去除，而不是单一指标，各项指标的处理互有影响；③污水处理效果达标要控制工艺运行条件的多项参数，不但有供氧量，还有温度、生物量、氧浓度变化、固液分离混合状况等；④要达到一个处理目标往往需要几个工艺环节的组合，各环节处理效果是相互影响的；⑤实际工艺运行是连续的，污水在处理设施中不断流动，水质、水量也存在波动或突变的情况，微生物系统需要自我调节、重新稳定。只有开展复杂水质的工艺综合实验，才能了解多成分、多参数、组合工艺、连续运行的实际工艺过程的一般规律和工艺运行要点，为专业实践做充分准备。

接近实际的工艺系统综合实验耗时长、工作量大、内容复杂，不能在常规实验中完成。建设了在线工艺实验系统，突破时空限制，让学生在网络上开展真实实验[11-12]。系统由4部分组成：①工艺构筑物模型系统，做为水处理工艺反应器；②泵阀等机械执行机构，完成介质推动、搅拌、供氧、污泥回流、排泥等工艺动作；③各类水质、状态参数传感器、控制器，监控工艺运行状况；④工艺运行现场操控、数据网络发布、远程控制系统。学生绝大部分操作通过网络遥控执行机构完成，实验数据和过程状态通过传感器获得并在网络上发布，供学生参考。学生与实验系统的互动在寝室、图书馆等上网场所，甚至手机上网都可以完成(见图1)。这一系统使耗时连续几天的实验能够由本科生在拓展实验、创新实验环节来完成，让学生经历真实的水处理过程，获得真正的水处理技术实践的体验和实际工艺过程规律的认知。

图1 在线工艺真实实验系统网络操作界面

(2)污水处理模拟系统。污水处理工艺真实实验能够极大程度地做到理论联系实际，但实验耗时长、成本高、工作量大、参与人数有限，教学效果难以普及到所有的学生。要在短时间内观察到不同水质水量、工艺条件共同作用下的处理过程效果，还要依靠污水处理动态数学模型进行模拟计算来获得。

上述常规实验题材的仿真实验机理模型应用的是本科教材中的静态数学方程。传统静态模型因具有形式简单、动力学参数测定和方程求解较方便等特点，得到了广泛应用，是水处理专业实践的基础。但长期实际应用也表明，静态模型无法解释一些现象，不能准确预测水质水量、运行参数变化引起的污泥系统自身的改变，对实际污水处理过程的计算有很大的局限[13]。

活性污泥动态模型研究和应用是近几十年来发展起来的新热点[14-17]，国际水协组织各国专家合作研究，陆续推出了3套活性污泥数学模型并为行业所接受。动态模型的计算要依赖于计算机，已有几种数学模型计算软件得到一定范围的应用。选择一种软件做为污水处理工艺模拟计算工具，通过执行以下操作完善对特定污水处理工艺的综合性、整体性、多角度的全面认识(见图2)。①设置与在线工艺真实实验系统相同的工艺流程，并按初始设置计算处理效果；②计算结果与真实实验结果对比，用真实实验数据校准模型系数，使实验结果与模拟结果一致；③校准后的模型确定后，依次单一改变进水水量或COD、氨氮、总磷等水质指标以及供氧量、水温、污泥回流量等条件参数，计算出水效果的改变及再稳定过程；④将工艺组合中的某一活性污泥法工艺替换成其他工艺，经计算得出处理效果，并根据结果调整工艺参数直至得到技术经济合理的处理效果。上述模拟内容中，工艺设置、参数校准等相对复杂的操作，可由教师帮助完成，学生主要操作第3步内容，便于快速上手，短时间内获得多种模拟结果，对一个特定活性污泥法工艺的动态运行规律形成深入、全面的认知。这个过程能大大加深学生对活性污泥法工艺原理的理解深度，锻炼工艺系统运行控制管理和工程设计优化知识运用，提升专业实践技术水平。

图2 动态污水处理过程模拟界面

2.3 虚拟实训系统与真实实习实训相结合

污水处理工艺理论在生产实际中付诸实现，工艺运行状态的保持、调整，还需要借助通用机械设备、专用工艺设备、处理构筑物等附属设施的动作执行来完成。水泵、风机、阀门等通用设备，由于在工艺中发挥的功能不同、控制方式变化，种类也有很大差异，操作动作方式也会有所不同。机械设备选型的适合与否对工艺运行效果有直接影响，构筑物土建结构与各类机械设备配合的合理性对工艺运行管理便利性、安全性的影响也有很多实践经验需要汲取，工艺附属设施的实际使用涉及一些教材中没有的知识。

实习实训一直是本科生实践环节的一部分，由于学时限制，一般只能走马观花，对污水厂形成粗略的直观感受，对生产运行的一些重要细节很难留下记忆。基于此，本文取材于真实污水厂，以整个污水厂为虚拟场景，从水厂管理和运行人员的角度展开画面，建设了污水厂虚拟实训系统。

系统表现内容分为两个部分。①污水厂三维实景，包括构筑物、机械设备、现场就地控制操作设施(见图3)。现场泵阀机械设备能够就地操作，并表现与操作对应的设备运行和构筑物上水面的不同状态；构筑物通过透视功能展示三维立体结构以及水流状态；构筑物旁的说明板能够通过文字和动图对相关工艺进行说明。②污水厂DCS控制系统虚拟场景，模拟污水厂集散控制系统对污水厂工艺总体运行进行控制(见图4)。系统控制包括污水厂各个工艺环节设备的开关、启停以及可变参数量的调整，并以此为条件得到相应的处理效果。

系统工艺内容为典型的活性污泥法处理工艺，机理模型以真实污水厂运行数据为蓝本，虚拟实训系统的操作对学生了解实际污水处理工程全貌，熟悉实际污水处理工艺管理发挥重要作用。

图3 污水厂构筑物、设备场景

图4 污水厂DCS系统操作界面

3 结 语

通过虚拟仿真技术与真实实验实训在内容上互相结合，针对活性污泥法污水处理工艺，由常规真实实验和仿真实验打牢传统静态模型的理论基础、由在线工艺实验系统拓展创新实验和污水处理动态过程模拟计算加深对污水处理系统动态过程机理规律的认识、由虚拟实训系统结合实习实训补强对污水处理实务的了解。通过3个层面虚实结合的实践过程，学生对污水处理从理论到实际应用做到全面衔接，明显提升了专业知识的实际应用能力。污水处理数学模型模拟系统是有效提高理论认识水平的工具，其与虚拟实训系统或在线实验系统相结合应用于实验教学的方式方法值得深入探索。