淺談水處理實驗教學(xué)

李芳芳 張芳 江娟 陳穎

摘 要 本文主要闡述水處理實驗中優(yōu)化、更新的實驗方法及項目，介紹了實驗教學(xué)過程更新的教學(xué)模式。豐富優(yōu)化了常規(guī)實驗項目，開設(shè)新的實驗教學(xué)項目，實驗室自行設(shè)計改造實驗裝置，將活性污泥實驗對學(xué)生開放；依據(jù)學(xué)生專業(yè)及個體差異，制定不同實驗教學(xué)計劃，使不同專業(yè)和層次的學(xué)生了解和掌握水處理技術(shù)與工藝。

關(guān)鍵詞 水處理 實驗教學(xué) 優(yōu)化 創(chuàng)新

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.05.053

Abstract This paper mainly expounds the optimization of water treatment experiment， the experimental method and the project.In this paper， the teaching mode of the experiment teaching process is introduced. Enrich the conventional experimental project， Set up a new experiment teaching project， Designed in our laboratory transformation experiment device， activated sludge test open to students； According to the students' professional and individual differences， to develop different experiment teaching plan， make different professions and different levels of students to understand and master the technology and process of water treatment.

Key words water treatment； experimental teaching； optimize； innovation

水處理實驗是高校環(huán)境工程專業(yè)和給排水工程專業(yè)重要的專業(yè)實驗，該課程的開設(shè)目的在于讓學(xué)生通過對基本原理的理解及對實驗設(shè)計和操作的練習(xí)，將理論與實踐充分結(jié)合，提高動手能力以及解決實際工程問題的能力。人們對于環(huán)境問題日益重視，特別是水污染問題，對環(huán)境工程和給排水工程專業(yè)的學(xué)生提出了更高的要求，①這就要求我們改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，不斷優(yōu)化實驗方法、實驗項目。鑒于此，根據(jù)我校實驗室實際情況，結(jié)合人才培養(yǎng)需求對水處理實驗課進(jìn)行了探索與改進(jìn)。

1 根據(jù)不斷改進(jìn)的培養(yǎng)方案，更新構(gòu)建實驗教學(xué)模式

為使水處理實驗教學(xué)真正成為理論與實踐相結(jié)合的紐帶，就要求實驗教學(xué)與理論教學(xué)同步。以我校為例，水處理實驗主要涉及“水污染控制工程”和“水質(zhì)工程學(xué)”等理論教學(xué)。根據(jù)新版培養(yǎng)方案，環(huán)境工程專業(yè)水污染控制工程實驗和工業(yè)廢水處理技術(shù)實驗統(tǒng)編為專業(yè)實驗并增加了學(xué)時，為滿足是教學(xué)計劃要求，水處理實驗教學(xué)重新修改實驗指導(dǎo)書 ，更新優(yōu)化部分實驗項目，并開設(shè)新的綜合設(shè)計性實驗，更注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。②

傳統(tǒng)的水處理實驗項目側(cè)重于單元知識點基本原理的演示與驗證，缺乏對相關(guān)知識體系的聯(lián)系，學(xué)生缺乏對專業(yè)知識的融會貫通。鑒于這一點，我們充分利用實驗室原有的資源，豐富并優(yōu)化了常規(guī)實驗項目。

（1）將原先的自由沉降和混凝沉淀的單元驗證性實驗項目分別整合為自由沉降與混凝沉淀對比實驗。混凝沉淀和自由沉降作為水處理中最基本的方法，同時也是給水處理實驗教學(xué)大綱要求的必開內(nèi)容。實驗教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，將濁度相同的原水分別通過自由沉降和混凝燒杯實驗兩種方法對比，學(xué)生通過自由沉降過程中錐底累計的沉泥量以及混凝過程中礬花的形成過程，更為直觀地觀察實驗現(xiàn)象從而更為深刻地理解實驗機(jī)理。結(jié)合當(dāng)天水質(zhì)情況，實驗中還啟發(fā)學(xué)生利用進(jìn)一步降低濁度的手段——投加助凝劑，并做了混凝劑與助凝劑最佳投加比例實驗。

（2）清水充氧拓展為清水充氧與污水充氧的測定實驗。利用清水充氧設(shè)備和水處理整套工藝流程中部分結(jié)構(gòu)——曝氣池，讓學(xué)生比較機(jī)械攪拌充氧和鼓風(fēng)曝氣充氧兩種曝氣方法，掌握設(shè)備充氧性能的測定方法。清水實驗完畢換校園排污口生活污水進(jìn)行充氧并監(jiān)測溶解氧變化，同時采用碘量法測定并比較數(shù)據(jù)，分析誤差，從而加深學(xué)生對曝氣在活性污泥法中作用的理解。

（3）酸性廢水過濾中和實驗改為酸水過濾中和吹脫軟化實驗。原酸性廢水過濾中和實驗存在中和效率低且出水、原水難以混勻、酸度降低的同時增大了出水硬度的問題。針對此情況實驗室自行設(shè)計、改造教學(xué)裝置，將原先單一的酸性廢水過濾中和實驗結(jié)合離子交換實驗并引入吹脫技術(shù)，同時在裝置中增加回流設(shè)備提高中和效率、在配水箱合理位置設(shè)攪拌裝置，使出水pH由原先的接近于6.0增大到7.0左右，出水由硬水降低為軟水，大大降低了對設(shè)備的腐蝕性。

（4）含酚廢水的光化學(xué)氧化改為含酚廢水的光化學(xué)氧化與電化學(xué)氧化處理實驗。實驗室模擬配制含有高濃度有機(jī)污染物苯酚的工業(yè)廢水，指導(dǎo)學(xué)生充分利用實驗室資源選取合理的實驗技術(shù)，③降解酚類有機(jī)物。讓學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，給予適當(dāng)指導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，不要輕易對學(xué)生的實驗方案說“不”，鼓勵他們大膽嘗試。實驗中一部分學(xué)生選用紫外光輻射降解廢水，另一部分選用電化學(xué)氧化處理，實驗結(jié)果證明紫外輻射降解效果優(yōu)于電化學(xué)氧化處理。通過兩種技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)對比學(xué)生更直觀深刻地認(rèn)識了有機(jī)物降解的機(jī)理，豐富了實驗內(nèi)容。

2 開設(shè)新的實驗教學(xué)項目

根據(jù)我校新版培養(yǎng)方案中加大了實踐類課程的學(xué)時，水處理實驗教學(xué)中新開設(shè)了氣浮實驗、污泥比阻測定實驗、污水可生化性實驗以及城市飲用水處理工藝、城市污水處理工藝及工業(yè)廢水處理工藝流程演示實驗。指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗設(shè)備結(jié)合理論知識，認(rèn)清設(shè)備各部分構(gòu)造及作用。在新開設(shè)的項目中對學(xué)生分小組，分批次進(jìn)行教學(xué)，改變了以往很多學(xué)生共享一臺儀器的情況。為了使學(xué)生能更好地掌握所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)實驗技能，實驗過程中水質(zhì)指標(biāo)的測試選用便攜式儀器測試與傳統(tǒng)國標(biāo)化學(xué)法測試同時進(jìn)行，并將結(jié)果比較，分析誤差原因。例如在城市污水處理工藝實驗中溶解氧、化學(xué)需氧量、生化需氧量的測定均才用了儀器和國標(biāo)方法測定，小組成員協(xié)調(diào)合作分析處理實驗數(shù)據(jù)，從而達(dá)到了專業(yè)實驗與專業(yè)基礎(chǔ)實驗相呼應(yīng)的目的。

（1）開設(shè)活性污泥培養(yǎng)及馴化實驗，實驗室對學(xué)生開放?；钚晕勰嗯囵B(yǎng)及馴化是一項耗時且復(fù)雜繁瑣的工作，因為活性污泥的培養(yǎng)對溫度、酸堿度、溶解氧以及碳氮磷的濃度有較高的要求。充分利用我校學(xué)生到污水處理廠參觀實習(xí)的優(yōu)勢，從污水處理廠生物池中取回活性污泥，實行開放式實驗教學(xué)。④學(xué)生可以根據(jù)自己的情況自主安排做實驗的時間，這就給學(xué)生提供了一個相對寬松的實驗環(huán)境，有利于學(xué)生思考能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?；钚晕勰鄬嶒灧譃閮蓚€階段：

第一階段活性污泥的接種、培養(yǎng)和馴化。污泥取回當(dāng)天測量溫度、酸堿度、溶解氧、以及碳氮磷的含量，將活性污泥一部分用校園生活污水馴化，一部分給予合理豐富的碳氮磷源進(jìn)行培養(yǎng)。馴化過程中每天給予活性污泥當(dāng)天的生活污水，并保持適當(dāng)曝氣，經(jīng)過一定周期后樣測試并與之前測試結(jié)果對比；培養(yǎng)過程中通過向活性污泥中投加一定量的化學(xué)試劑，摸索活性污泥菌群適合的生長環(huán)境，并通過監(jiān)測污泥濃度使活性污泥菌群迅速繁殖，從而得到高濃度的活性污泥。

第二階段利用活性污泥開展厭氧-缺氧-好氧法（A2O）、生物膜法 、生物接觸氧化等實驗。將培養(yǎng)好的活性污泥引入污水工藝中。把污泥分別裝入A2O裝置的厭氧池、缺氧池和好氧池中并適時監(jiān)測各池中的污泥指標(biāo)及顏色變化，設(shè)備運行一定周期后，讓學(xué)生取當(dāng)天的校園生活污水通過A2O工藝進(jìn)行除磷脫氮處理，實驗數(shù)據(jù)良好，達(dá)到了對工藝更為深刻理解的目的。

（2）為了讓學(xué)生充分了解學(xué)科前沿知識，⑤我們將膜技術(shù)也引入到實驗當(dāng)中。膜生物反應(yīng)器（MBR）是膜分離技術(shù)與生物處理方法的高效結(jié)合，污水處理系統(tǒng)中，活性污泥降解有機(jī)污染物，膜實現(xiàn)了真正意義上的泥水分離。取培養(yǎng)好的活性污泥裝入有機(jī)膜生物反應(yīng)器裝置中，體積為有效容積的1/2～2/3，其余體積為自來水，混合液懸浮固體濃度（MLSS）控制在2～3g/L，以當(dāng)天的校園生活污水為試驗用水?？刂瞥鏊吭?～3L/h，啟動風(fēng)機(jī)曝氣。利用設(shè)備的自動控制系統(tǒng)讓實驗裝置24h連續(xù)運行，根據(jù)污水、出水水質(zhì)和污泥性質(zhì)，確定進(jìn)水、出水量，從而改變水力停留時間、污泥齡。根據(jù)反饋信息，這一實驗項目的設(shè)置充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性，得到廣大師生認(rèn)可。另外我們還開展了生物接觸氧化、電動生物轉(zhuǎn)盤等許多活性污泥相關(guān)的項目演示給學(xué)生看，均受到學(xué)生好評。

3 依據(jù)學(xué)生專業(yè)及個體差異，制定不同實驗教學(xué)計劃

環(huán)境工程專業(yè)水處理實驗課程分為專業(yè)實驗（一）和專業(yè)實驗（二），分別設(shè)于大學(xué)三年級下學(xué)期和大學(xué)四年級上學(xué)期，總學(xué)時為40學(xué)時。實驗教學(xué)安排本著由易到難、由簡單到復(fù)雜的原則，在專業(yè)實驗（一）項目的開設(shè)中主要為傳統(tǒng)理論、工藝的學(xué)習(xí)。專業(yè)實驗（二）中主要為綜合設(shè)計性項目，讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解前沿新技術(shù)、新工藝，自主設(shè)計實驗方案，⑥實驗測試過程中分別采用專業(yè)分析儀器和國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。

給排水專業(yè)相關(guān)水處理實驗課為水質(zhì)工程學(xué)，設(shè)在大學(xué)三年級下學(xué)期，根據(jù)給排水專業(yè)特色水處理實驗課分為代表傳統(tǒng)給水、污水處理工藝的實驗， 學(xué)期終開設(shè)地面水源給水工藝流程和城市污水處理工藝流程演示，目的在于加深學(xué)生對基本原理的理解，掌握水處理流程。

水處理實驗教學(xué)針對全校理工科學(xué)生開放，將當(dāng)前人們?nèi)找骊P(guān)注的水質(zhì)污染問題對在校學(xué)生進(jìn)行科普教育，讓他們既了解水處理實驗技術(shù)方法和工藝流程又掌握了簡單的水質(zhì)分析方法。

4 初步將仿真技術(shù)應(yīng)用到水處理實驗教學(xué)中

仿真實驗通過軟件把書本里面呆板的信息變成文字、聲音、圖片、動畫、視頻等多媒體信息，使教學(xué)內(nèi)容變得更加易于學(xué)習(xí)、理解和掌握，也使教學(xué)方式多樣化。⑦充分利用實驗中心虛擬實驗室城市給水和污水處理軟件，結(jié)合水處理實驗室實際設(shè)備。對于有實物的實驗項目，實驗過程中采取實物與仿真兩種教學(xué)方式進(jìn)行，并讓學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；對于不存在實物的實驗設(shè)備主要讓學(xué)生對虛擬的實驗儀器及設(shè)備進(jìn)行操作，這也彌補了由于實驗設(shè)備的缺乏，各單元實驗項目之間相對獨立，教學(xué)效果難以達(dá)到理想目標(biāo)的要求。通過對仿真軟件的操作在一定程度上提高了學(xué)生分析、處理數(shù)據(jù)的能力。

注釋

① 胡鋒平.《水處理工程》實驗教學(xué)改革與教學(xué)實踐[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2006：23.

② 孫興濱，胡陽.水處理技術(shù)新型實驗教學(xué)模式探討[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2015（8）.

③ 盛力，劉濤，沈洪等.以能力培養(yǎng)為核心的水處理實驗教學(xué)體系建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2012.31（10）.

④ 胡磊，李軼，倪利曉.水處理實驗技術(shù)開放式實驗教學(xué)嘗試[J].高等理科教育，2009（1）.

⑤ 王偉，王科，蘇饋足等.《水處理工程實驗技術(shù)》課程教學(xué)改革初探[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2014.12（3）.

⑥ 曹勇鋒，張可方.水處理實驗技術(shù)設(shè)計性實驗教學(xué)的探討[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2008.6（2）.

⑦ 劉芳，王永強(qiáng)，盧磊等.仿真實驗在水處理工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].廣州化工，2013.41（13）.