創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)在水處理實(shí)驗(yàn)課程中的教學(xué)實(shí)踐*

王文強(qiáng)，劉歆瑜，楊 飛，王 芳，王愛(ài)麗，商書(shū)波

(德州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 德州 253023)

目前，工程教育專業(yè)認(rèn)證成為評(píng)價(jià)高校工科專業(yè)水平的新標(biāo)準(zhǔn)，是高校提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措，全國(guó)工科高校都將通過(guò)專業(yè)認(rèn)證作為學(xué)校發(fā)展的重點(diǎn)工作[1，2]。近年來(lái)德州學(xué)院也在大力推動(dòng)“新工科”建設(shè)和“工程教育專業(yè)認(rèn)證”工作，為增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，多元化和個(gè)性化的培養(yǎng)學(xué)生，根據(jù)工程教育認(rèn)證的基本理念設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性、創(chuàng)新性的綜合實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)是非常必要的[3]。

水處理實(shí)驗(yàn)課程作為水污染控制課程重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方式已不能適應(yīng)工程認(rèn)證的需要，為了提升專業(yè)建設(shè)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)更優(yōu)秀的工程人才，推動(dòng)工程教育不斷進(jìn)步，對(duì)水處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革，突出培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，具有重要的意義。本文以吸附/微濾組合工藝處理膜濃縮液實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，探討在工程教育專業(yè)認(rèn)證視角下創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)源

由于生活、生產(chǎn)對(duì)水需求量增加，水污染加劇，造成水資源短缺，對(duì)廢水進(jìn)行回收利用可以緩解這一問(wèn)題。膜分離技術(shù)，例如微濾/反滲透(納濾)雙模工藝，是主要的實(shí)現(xiàn)廢水回收利用的途徑。利用這種技術(shù)在得到清潔出水的同時(shí)不可避免的產(chǎn)生大量膜濃縮液，其富集了高濃度的難降解有機(jī)物、氨氮、重金屬、無(wú)機(jī)鹽及微污染物等，對(duì)環(huán)境和人體健康具有極大危害，在其排放之前進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理是十分必要的。吸附/微濾組合工藝就是一種有效的處理方法，可以有效去除其中的難降解有機(jī)物及毒性較強(qiáng)的痕量微污染物，提高出水的可生化性，為后續(xù)的處理提供有利條件。

膜分離技術(shù)在水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但大多數(shù)高校環(huán)境工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并沒(méi)有設(shè)計(jì)膜分離技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生欠缺對(duì)膜分離技術(shù)的實(shí)踐知識(shí)，有必要開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目補(bǔ)齊知識(shí)短板[4]。吸附/微濾組合工藝處理膜濃縮液實(shí)驗(yàn)是教師科研向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的移植，任課教師多年擔(dān)任水處理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)工作，對(duì)膜濃縮液的處理技術(shù)也有了一定的研究[5-7]。將相關(guān)的研究?jī)?nèi)容、研究方法進(jìn)行總結(jié)整理，轉(zhuǎn)化為水處理實(shí)驗(yàn)課程中的創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以教師科研促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多角度的培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及教學(xué)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題能力(通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，綜述膜濃縮液的來(lái)源、水質(zhì)特點(diǎn)、危害性、處理方法研究進(jìn)展，分析有前景的處理技術(shù))；培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的方案設(shè)計(jì)能力(應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，提高膜濃縮液處理出水水質(zhì)，例如正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)面法等)；培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力(水質(zhì)監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)儀器操作，水泵、管道、反應(yīng)器等組件的連接調(diào)試能力)；培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力(小組實(shí)驗(yàn)，每小組5～6人)。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

本實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū)的形式向?qū)W生發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)及要求，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、要完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)、操作規(guī)范及考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。提前2周向?qū)W生發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū)，并進(jìn)行必要的說(shuō)明，給學(xué)生足夠時(shí)間提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū)的閱讀研究及熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作做足準(zhǔn)備。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)

較高效的去除膜濃縮液中的難降解有機(jī)物，COD去除率應(yīng)高于60%；提高廢水的可生化性，BOD5/COD比值應(yīng)高于0.3；粉末活性炭(PAC)投加量要小于 1 g/L，并計(jì)算吸附劑成本：￥/kg COD。

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)來(lái)源于教師的科研，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一些水質(zhì)指標(biāo)可以提出量化的要求，利于實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核評(píng)價(jià)。估算吸附劑成本，是有意識(shí)的培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，以可接受的工程成本解決工程問(wèn)題。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

吸附劑：選取工程應(yīng)用級(jí)的商業(yè)PAC，貼近工程實(shí)際，學(xué)生要查閱資料了解此類吸附劑的制備、性質(zhì)特點(diǎn)、用途、商業(yè)價(jià)格等。

膜濃縮液：取實(shí)際廢水回收過(guò)程產(chǎn)生的濃縮液或者人工配置，學(xué)生要查閱資料了解膜濃縮液的來(lái)源、水質(zhì)特點(diǎn)及危害性；要掌握水質(zhì)指標(biāo)pH、電導(dǎo)率、COD、BOD5、色度等測(cè)定方法。水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定由教師提供測(cè)試設(shè)備，明確測(cè)定方法，但具體的測(cè)定過(guò)程需要學(xué)生自行掌握，多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定在前期環(huán)境監(jiān)測(cè)課程中學(xué)習(xí)過(guò)，在此實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步鞏固強(qiáng)化，學(xué)生應(yīng)該具備水質(zhì)指標(biāo)自行檢測(cè)的能力。

實(shí)驗(yàn)裝置：吸附/微濾組合工藝的運(yùn)行采用實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。小試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝置比燒杯實(shí)驗(yàn)更接近工程實(shí)際，在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力上更加有效。學(xué)生需要熟悉實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)器件的位置、功能及調(diào)試方法，需要掌握各個(gè)器件的連接方法及順序，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止程序。要求學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并能熟練操作。

圖1 吸附/微濾組合工藝實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置主要有原水箱、加藥箱、裝有膜組件的反應(yīng)器及各種泵組成，原水箱為 1 m3的PVC塑料桶，加藥箱及反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制作，膜組件為U型中空纖維微濾膜，材質(zhì)為聚偏氟乙烯，膜組件性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 MF膜組件性能指標(biāo)

運(yùn)行過(guò)程：膜濃縮液通過(guò)進(jìn)水泵加入反應(yīng)器中；PAC配置成漿液的形式貯存在加藥箱中，通過(guò)加藥泵一次性加入反應(yīng)器中，加藥之前通過(guò)攪拌使藥液混合均勻；曝氣泵在膜組件底端提供連續(xù)曝氣，對(duì)膜表面進(jìn)行清洗以及混合PAC與濃縮液；循環(huán)泵循環(huán)PAC與濃縮液的混合液，已達(dá)到更好的混合效果，循環(huán)泵在每次循環(huán)結(jié)束之前停止 5.5 min；出水通過(guò)膜組件由出水泵抽吸實(shí)現(xiàn)，膜組件出水采用負(fù)壓抽吸，以間歇方式出水，出水 10 min，停 1 min，出水 8 min，停 1 min，出水至低液位；進(jìn)、出水體積通過(guò)高低液位計(jì)控制；整個(gè)運(yùn)行過(guò)程通過(guò)可編程控制器(PLC)自動(dòng)運(yùn)行。

每12個(gè)循環(huán)取出水的混合水樣測(cè)定UV254、COD和DOC，間隔一定時(shí)間測(cè)膜比通量(SF)。為了防止PAC在反應(yīng)器中的累積引起膜組件的濃差極化，每48個(gè)循環(huán)將反應(yīng)器中累積的PAC排出大約三分之二。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

PAC吸附膜濃縮液中的有機(jī)物：前期學(xué)生已掌握了吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線和吸附熱力學(xué)系列實(shí)驗(yàn)，在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生先自主進(jìn)行燒杯實(shí)驗(yàn)，通過(guò)燒杯實(shí)驗(yàn)調(diào)查清楚PAC吸附有機(jī)物的平衡時(shí)間、最佳投量，然后擴(kuò)展到吸附/微濾實(shí)驗(yàn)裝置上。

有機(jī)物表征及去除機(jī)理分析：測(cè)定UV254、紫外-可見(jiàn)掃描光譜、三維熒光分析不同組分有機(jī)物去除機(jī)理。紫外-可見(jiàn)掃描光譜、三維熒光分析由于涉及到精密大型儀器操作，這部分由教師實(shí)際測(cè)定，要求學(xué)生能夠分析測(cè)定結(jié)果，探討不同組分有機(jī)物去除機(jī)理。

吸附與膜分離的協(xié)同作用：分析膜分離對(duì)PAC吸附有機(jī)物的提效作用，PAC吸附對(duì)膜污染的減緩作用。

膜通量測(cè)定及膜污染分析：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定膜通量的變化，判斷膜污染的情況；分析膜污染的機(jī)理。膜污染是微濾膜運(yùn)行過(guò)程中不可避免的問(wèn)題，原水中的懸浮顆粒和溶解性有機(jī)物以及無(wú)機(jī)物會(huì)在膜表面形成濾餅層并且形成濃差極化，部分小分子量的有機(jī)物還可能吸附沉積在膜孔內(nèi)，從而形成不可逆污染。控制膜污染是膜工藝在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，通常通過(guò)測(cè)定膜比通量(SF)來(lái)監(jiān)控膜的透水性能。SF定義為單位跨膜壓力單位膜面積的出水流量，其表達(dá)式如下[8]：

(1)

式中SF是膜比通量(L/(m2·h·m H2O))，J0是膜通量(L/m2·h)，T是水溫(℃)，TMP是跨膜壓力(m水柱)。

采用歸一化的SF，即SF/SF0(SF0為新膜的比通量)隨著處理水量的變化分析膜污染的程度。

試驗(yàn)結(jié)束后，用過(guò)的膜先進(jìn)行物理清洗，即用自來(lái)水沖洗膜表面，去除膜表面的泥餅層，之后再進(jìn)行化學(xué)清洗，即用0.1%次氯酸鈉和0.3%鹽酸分別浸泡 20 h，測(cè)其物理清洗和化學(xué)清洗后的SF恢復(fù)情況。取化學(xué)清洗的洗脫液分析沉積在膜表面的污染物的元素組成，將污染物的濃度與化學(xué)清洗液的體積相乘再除以試驗(yàn)所用膜的膜面積和處理水量，可以得到處理單位水量單位膜面積上特定污染物的質(zhì)量，分析膜污染是否可逆及主要污染物質(zhì)來(lái)源的情況。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

每個(gè)小組共同完成一份研究型實(shí)驗(yàn)報(bào)告，格式規(guī)范借鑒本校畢業(yè)論文的規(guī)定，為后期畢業(yè)論文的寫(xiě)作打下一定的基礎(chǔ)。內(nèi)容要包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)儀器、分析方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及主要參考文獻(xiàn)等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中圖表要規(guī)范，表格使用三線表，圖表配有正確的標(biāo)題、序號(hào)，標(biāo)注參數(shù)名稱及單位，圖表均采用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件制作。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)包含對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，避免簡(jiǎn)單的羅列數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的表面描述，實(shí)驗(yàn)報(bào)告后附實(shí)驗(yàn)小組成員實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)及得分。

3 實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要由教師打分與實(shí)驗(yàn)小組打分組成，各占50%，教師打分主要依據(jù)小組整體實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成情況，即COD去除率、BOD5/COD比值、吸附劑成本等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與目標(biāo)值比對(duì)情況，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容完整度、格式規(guī)范度等；小組打分主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)小組成員對(duì)完成本實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)情況，相當(dāng)于過(guò)程性考核，小組成員比教師更能準(zhǔn)確的了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)人的貢獻(xiàn)，打分更合理，同時(shí)為了避免各個(gè)小組之間和各個(gè)小組內(nèi)成員之間分值過(guò)于極化，規(guī)定小組成員分值在70～90分之間，要體現(xiàn)出差異化，反應(yīng)每個(gè)人的實(shí)際貢獻(xiàn)大小，打分方法由小組長(zhǎng)自行組織實(shí)施。

4 教學(xué)效果

通過(guò)將教師科研轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，推動(dòng)了傳統(tǒng)水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，一定程度上提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，為應(yīng)用型工程專業(yè)人才培養(yǎng)探索了新的途徑。

1)強(qiáng)化了學(xué)生基本的專業(yè)技能。文獻(xiàn)查閱、信息獲取能力、利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化處理分析能力、水質(zhì)指標(biāo)分析檢測(cè)能力、研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)作能力等得到了很好的鍛煉和提高。

2)提升了學(xué)生自主創(chuàng)新和學(xué)習(xí)能力。在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試等方面，教師提出要求但不限于某些特定的方法，給學(xué)生充分創(chuàng)新的空間，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提升創(chuàng)新能力。

3)培養(yǎng)了學(xué)生工程思維、工程意識(shí)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。例如，在實(shí)驗(yàn)任務(wù)中布置了吸附劑成本考核指標(biāo)，就是讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)際工程問(wèn)題的解決必須要考慮工程成本，小試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試和運(yùn)行在一定程度上給學(xué)生建立了工程意識(shí)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成需要小組成員的合理分工，團(tuán)結(jié)協(xié)作，也鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。