肖 敏，張玉革，林靜雯，王英剛，魏建兵，高 丹

(沈陽大學 環(huán)境學院 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044)

環(huán)境工程專業(yè)涵蓋化學、生物、地學、物理等學科知識，是一門運用給排水工程、化學工程、機械工程等技術原理和手段，協(xié)調環(huán)境與發(fā)展，保護和改善環(huán)境質量，解決廢氣、廢水、固廢、噪音污染等問題的綜合性交叉學科[1-2]，以培養(yǎng)學生獨立分析和解決復雜環(huán)境工程問題能力、培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力為主要目標，因此實驗實踐教學是該學科重要環(huán)節(jié).

《固體廢棄物處理與處置》是環(huán)境工程專業(yè)的主干課程，通過典型固廢處理與資源化原理與工藝，培養(yǎng)學生相關工程實踐能力.但在固廢綜合性實驗的實踐教學中，如垃圾焚燒、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵等實驗，存在著試驗周期長、二噁英及惡臭氣體排放、微生物馴化培養(yǎng)耗時較長等問題，使得實驗操作存在諸多不確定性[3].

虛擬仿真實驗采用過程模擬仿真技術，將設備工作原理算法化，根據(jù)工藝流程結構搭建數(shù)學模型[4-5]，已在生物、土木、藥學、環(huán)境工程等高危環(huán)境操作及實踐教學領域中進行了探索與實踐[3，6-9]，學生根據(jù)指導教師所設定情景，進行在線預習、工藝設計與選擇、數(shù)據(jù)處理、分析計算，借以進行大型設備的操作、設備故障現(xiàn)象再現(xiàn)、工藝調控等，培養(yǎng)學生動手能力和提高對設備、工藝的理解能力.

以固廢實驗教學為例，借助東方仿真軟件進行虛擬仿真，針對垃圾焚燒、好氧堆肥和厭氧發(fā)酵工藝建立虛擬仿真模塊，模擬垃圾焚燒系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)等單元設備結構與操作現(xiàn)象；模擬堆肥前處理、發(fā)酵等多個環(huán)節(jié)，幫助學生熟悉設備流程及典型工藝過程，學習設備閥門、設備和儀表的正確操作步驟，使學生熟悉垃圾焚燒發(fā)電、好氧堆肥與厭氧發(fā)酵工藝相關基礎知識、工藝流程、培養(yǎng)實操能力和工程設計能力，彌補實體實驗的不足，還原真實操作場景，以期為高校環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學體系建設提供經驗和借鑒.

1 固廢虛擬仿真綜合實驗及系統(tǒng)組成

1.1 固廢虛擬仿真實驗內容

固廢虛擬仿真綜合實驗內容主要包括垃圾焚燒發(fā)電工藝、好氧堆肥及厭氧發(fā)酵工藝、主要設備及儀表、工藝流程等.其教學體系包括仿真操作型實驗、工程實踐型實驗和仿真設計型實驗3部分，如圖1所示.

圖1 固廢虛擬仿真實驗技術路線

1.2 固廢虛擬仿真實驗系統(tǒng)組成

依托仿真軟件，結合固廢工藝原理和人工設計計算過程，該實驗分為6部分：理論知識考核及拓展、虛擬仿真實驗情景設計、仿真設計型實驗設計、虛擬仿真實驗結果處理與分析、故障排查與調整、虛擬仿真實驗成績評定.

首先，學生要對垃圾焚燒技術及熱值計算、好氧堆肥及厭氧發(fā)酵理論及工藝有一定的理解，掌握實驗原理，理解實驗目的，明確實驗步驟；其次，明確實驗參數(shù)的設置、分析與處理方法；學生結合所學知識，根據(jù)老師提供的設計情景，自行設計實驗方案，先采用手算方法進行初步設計，而后通過仿真實驗進行單因素或多因素影響模擬實驗進行優(yōu)化計算與校核，并比較分析兩者結果；最后結合實驗運行結果與過程調試情況，撰寫分析報告及仿真實驗設計報告，并通過答辯方式進行結題考核.

2 虛擬仿真實驗過程

2.1 理論拓展及流程設計

引導學生回顧所學固廢焚燒與生物處理工藝相關理論、流程、參數(shù)、單元設備和注意事項；利用環(huán)境微生物學、水污染控制工程、大氣污染控制工程、環(huán)境生態(tài)及監(jiān)測模塊，復習COD、CH4、CO2、總氮及大腸桿菌等測定，融會貫通專業(yè)脈絡.

垃圾發(fā)電工藝系統(tǒng)模擬 500 t/d 的垃圾焚燒處理過程，采用控氣型固體廢棄物熱分解處理技術(CAPS)，結合垃圾存貯給料系統(tǒng)、焚燒、熱能利用發(fā)電、煙氣凈化和灰渣熔融系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示.在該技術流程中，生活垃圾經計量、破碎預處理后，由抓斗進入焚燒爐，分別通過將垃圾徹底燃燒，產生的爐渣由等離子灰渣熔融爐處理.垃圾滲濾液經過濾網(wǎng)進入滲濾液處理系統(tǒng)焚燒過程中會有一次風、二次風與投油助燃系統(tǒng)，以保證充分燃燒、控制煙氣濃度；煙氣經余熱鍋爐、過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，進入汽輪機發(fā)電系統(tǒng)；剩余煙氣經洗氣吸收塔后經活性炭吸附通過旋風與布袋除塵器系統(tǒng)排放[10].在仿真試驗中，對工藝開停車步驟和閥門、設備及儀器的正確操作及應急響應方法及典型事故處理進行培訓(如：煙塵、SO2及NOx濃度過高，焚燒爐溫度過低等)；并記錄石灰漿液、氨水的使用量煙氣溫度、煙氣量等指標參數(shù).

好氧堆肥及厭氧發(fā)酵工藝系統(tǒng)主要包括好氧/厭氧發(fā)酵反應器主體、供風系統(tǒng)、滲濾液收集和回灌系統(tǒng)實驗裝置和控制系統(tǒng)，好氧發(fā)酵反應的滲濾液收集和回灌系統(tǒng)包括滲濾液收集池、回灌水泵、控制調節(jié)閥、流量計裝置.模擬生物處理過程的影響規(guī)律，掌握影響因素對好氧堆肥或厭氧發(fā)酵處理的變化規(guī)律；掌握基本操作方法，探究反應器結構及運行方式、溫度、時間、pH等對產氣量、沼氣成分、COD變化的影響規(guī)律，認識環(huán)境溫度、C/N比等因素產生的影響.

圖2 垃圾焚燒發(fā)電流程

2.2 虛擬仿真實驗情景設計

學生根據(jù)指導教師所設定的情景模式進行虛擬實驗，在仿真操作界面自由選擇實驗工況，設置對應參數(shù).例如，在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵仿真實驗中，設定C/N比為24∶1的碳氮比發(fā)酵原料在 45 ℃ 高溫環(huán)境中進行厭氧發(fā)酵.

學生首先根據(jù)原料組成，手動計算厭氧發(fā)酵過程中CH4、CO2產量理論值，并對產生的數(shù)據(jù)進行分析處理；再通過仿真軟件完成厭氧發(fā)酵實驗，并繪制溫度、pH隨時間的變化，記錄在試驗期間CO2、CH4成分和產氣速率.仿真實驗操作界面如圖3 所示，學生按情景設定相應碳氮比、溫度等參數(shù)值，記錄發(fā)酵過程參數(shù)變化情況并與理論值進行對比分析，結果如圖4所示.

由圖4(c)可見，厭氧發(fā)酵實驗中，學生手動計算得到的CH4產量理論值與仿真實驗值吻合較好，相對誤差小于10%，滿足工業(yè)設計的要求.誤差來源于產甲烷模型的簡化假設等方面.

圖3 厭氧發(fā)酵仿真實驗裝置及操作界面

圖4 厭氧發(fā)酵過程圖

2.3 仿真設計型實驗設計

利用計算機輔助手段，對單體工藝過程進行分析及工藝參數(shù)影響分析，進而對固廢處理過程系統(tǒng)進行分析，確定其各個部位的屬性和性能指標.

如在好氧制堆肥仿真試驗中，考查溫度對過程的影響.首先，學生回顧堆肥溫度范圍及其機制，而后利用仿真軟件分別設置環(huán)境溫度為25、35、55 ℃，進行好氧堆肥實驗，記錄數(shù)據(jù)并繪制圖表，如圖5、6所示，結合相關文獻分析討論.

圖5 好氧堆肥與仿真實驗裝置及操作界面

圖6 溫度對好氧堆肥過程的影響

由圖6可知，初始溫度 55 ℃ 的好氧堆肥過程酸化周期較25、35 ℃ 顯著增長，體系升溫節(jié)點推遲，且體系pH值下降幅度較大，結果表明在反應初始階段，環(huán)境溫度過高，抑制了嗜溫菌的活性，降低可溶性有機質的降解速率，抑制堆肥反應的進行；但隨著初始溫度的升高，難溶性有機質的水解程度顯著增加，提升固廢的生化降解程度.

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)實驗情景進行虛擬仿真實驗，依據(jù)變化趨勢對實驗結果進行分析討論，觀察實驗現(xiàn)象，記錄仿真實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)產物指標判斷工藝參數(shù)優(yōu)化的準確性，建立動態(tài)穩(wěn)定運行工藝的工程理念；熟練掌握Origin及Excel等軟件繪圖技巧與分析處理數(shù)據(jù)方法；并可進行多方案的對比分析，撰寫實驗報告.

2.5 故障排查與調整

結合實際案例，提出問題，引導學生給出解決方案和流程；或在學生進行仿真實驗運行過程中，系統(tǒng)發(fā)生故障報警時，指導學生理論聯(lián)系實際，進行系統(tǒng)參數(shù)的調試，做出方案結論并進行經濟效益分析，進一步強化工程意識，鍛煉學生對設備故障的排查能力；通過設置應急演練，使學生警惕實際生產中的安全隱患，鍛煉學生應急處理能力，有效解決現(xiàn)場實習的不足.

2.6 實驗成績評定

實驗指導教師通過設計計算結果、實驗運行、故障排查與調整、模擬實驗分析報告、仿真設計報告及答辯情況綜合評定學生成績，包括實驗操作及理論知識兩個方面進行.例如垃焚燒發(fā)電工藝中相關基礎知識、工藝流程、控制參數(shù)等，能夠根據(jù)工藝流程圖找到相關的處理單元，并學習和掌握設備的內部構造和運行原理，回答教師在課堂上關于實驗原理、工藝單元、設備構造、數(shù)據(jù)分析處理、單元操作等方面的提問；并能通過自主設計焚燒工況參數(shù)影響模擬實驗，探尋最優(yōu)運行條件和優(yōu)化設計.理論知識測評成績占總評成績的20%.學生進行固廢處理工藝流程進行虛擬仿真實驗操作，根據(jù)操作順序、操作規(guī)范和參數(shù)選擇的準確性等對操作技能進行分析評分，操作技能得分占總評成績的40%.根據(jù)固廢處理工藝流程選擇，開車運行調節(jié)并優(yōu)化工藝運行參數(shù)，掌握不同運行參數(shù)條件下，系統(tǒng)對固廢的處理效果，仿真實踐型和設計型實驗操作占總評成績的20%；實驗結果達標考評及模擬實驗分析報告、仿真設計報告的成績占總評成績的15%，并引導學生將仿真實驗項目與仿真設計大賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、遼寧省環(huán)境生態(tài)科技大賽、國家及省市級科研課題、橫向課題等實際需求及科技創(chuàng)新競賽相結合，通過仿真實驗數(shù)據(jù)處理與分析討論，指導學生撰寫科技論文，以項目獲批級別、獲獎級別和發(fā)表論文情況等方面進行考核，此部分占總評成績的5%.

3 教學效果

引入仿真實驗教學5年來，學生學習積極性有了明顯提高，參與工程創(chuàng)新性的項目逐年增長，工程理念得到進一步提升.通過虛擬仿真實驗，使學生熟悉工藝流程設計及操作單元的組合，鍛煉學生對設備故障的排查能力；通過設置應急演練，使學生警惕實際生產中的安全隱患，鍛煉學生應急處理能力，有效解決現(xiàn)場實習的不足.通過實驗的開展與完成不僅使學生了解、熟悉項目各主要環(huán)節(jié)的要求和規(guī)范，在實踐過程中主動學習新的知識，提高了文獻收集和分析能力，還激發(fā)學生對專業(yè)的興趣，積極參加科研課題、科技創(chuàng)新競賽及大創(chuàng)計劃，并將仿真實驗的結果與實體實驗進行對比分析，促進部分學生繼續(xù)深造學習.先后有57名學生在省級以上期刊上發(fā)表科研論文；有233人獲得國家級、省市級、校級以上“挑戰(zhàn)杯”“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”等各種獎勵和榮譽[11-13]；幾年來，考研率節(jié)節(jié)高升，學生由我校環(huán)境工程專業(yè)考入中科院生態(tài)所、華南理工大學、大連理工大學、東北大學、遼寧大學、沈陽建筑大學、南京農業(yè)大學等院校的研究生，并在從事科研課題研究中取得較好成績.近5年來，我院環(huán)境工程專業(yè)學生能更針對性地學習了解并分析解決生產運行相關實際問題，提高了專業(yè)學習效果.在的能力方面，畢業(yè)生以工作踏實、動手能力強及較強的分析解決復雜環(huán)境工程問題能力得到了用人單位一致好評，提升我校學生在業(yè)界中的認可度.

4 結語

本文以固廢綜合仿真實驗為例，闡述了環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學的設計與實踐過程，構建仿真實踐教學模式，側重培養(yǎng)學生創(chuàng)新與動手能力及獨立分析解決復雜環(huán)境問題的能力；通過虛擬仿真實驗，使學生熟悉環(huán)境工程相關基礎知識、工藝流程、培養(yǎng)實操能力和工程設計能力，避免實驗安全風險等不確定因素，加強學生對專業(yè)理論知識的掌握，提高學生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.