董劍鑫，柴偉洲，王淑勤，張玉玲

（華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071003）

“化工安全與環(huán)?！笔侨A北電力大學(xué)能化專業(yè)的一門專業(yè)課程，課程把環(huán)保與化工工藝、技術(shù)等緊密地結(jié)合，有助于培養(yǎng)學(xué)生工藝設(shè)計中的環(huán)保意識，并且與國家社會和諧可持續(xù)發(fā)展理念相匹配[1]，但此課程存在涉及范圍廣、內(nèi)容多、課程難等問題，同時，由于“化工安全與環(huán)?！闭n程又是實踐性、應(yīng)用性較強的課程，所以華北電力大學(xué)特開設(shè)“化工安全與環(huán)保實驗”，以此實驗加強學(xué)生對專業(yè)理論知識的深化理解，促進學(xué)生對實驗研究方法與技能的掌握，增強學(xué)生對課程內(nèi)容與工藝的消化?；炷齽┗炷Ч麑嶒炞鳛椤盎ぐ踩c環(huán)保”的基礎(chǔ)實驗之一，是眾多高校已在開設(shè)的課程，具有改進與探索意義，故我們此次選擇混凝劑混凝效果實驗作為重點改進與探索對象。

1 混凝劑混凝效果實驗方案

混凝劑混凝效果實驗是一種模擬實驗，主要模擬了混合、反應(yīng)、沉淀三個工藝過程，研究自來水廠混凝劑的品種以及混凝劑的最佳投量通?？梢允褂没炷囼灤_定[2-3]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，主要由老師做示范實驗，學(xué)生觀察，教學(xué)形式較為單一，學(xué)生參與積極性難以提高。在本次課程實驗改革中，擬采用課堂與實驗相結(jié)合的方式，即提前在課堂上講授混凝相關(guān)實驗原理，使學(xué)生能夠有充分的時間思考與吸收、消化相關(guān)知識。學(xué)生能主動通過“知網(wǎng)”“中國期刊網(wǎng)”等數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)內(nèi)容，通過課外自主學(xué)習(xí)，設(shè)計出不同的實驗方案，從而增強學(xué)生創(chuàng)新能力。在實驗課堂中通過模擬水廠操作，增加實驗元素，豐富實驗過程[4-5]，使學(xué)生有較強參與感與成就感，既增強了學(xué)生信心，提高了學(xué)生的創(chuàng)造力，又進一步激發(fā)出學(xué)生對科研的興趣。為了達到教學(xué)目標(biāo)，我們以當(dāng)前實驗任務(wù)書為基礎(chǔ)，使學(xué)生深入探索不同原始水樣、不同混凝劑、不同pH對混凝效果的影響，并對比找到最佳實驗條件。具體操作如下：

本次實驗前任課老師將提前1～2周通過“化工安全與環(huán)?！闭n程講授相關(guān)混凝理論知識。同時，學(xué)生以4～6人為一組，通過自行組隊的方式，團結(jié)合作，發(fā)揮出自己的優(yōu)勢。每組將通過查閱資料等方式，制定設(shè)計出合理可行的實驗方案。每一個小組可以選擇一種混凝劑，多種水樣，1～2種影響因素，探索不同水樣對混凝效果的影響，也可以選擇多種混凝劑，一種水樣，1～2種影響因素，探索不同混凝劑對某一種水樣的影響。通過分組方式充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，促使小組成員之間、不同組成員之間進行充分的交流。實驗過程中，由任課老師對混凝實驗原理，濁度儀、六聯(lián)攪拌器等儀器的使用方法以及實驗中注意事項等進行講解，使學(xué)生能夠具備獨立完成實驗的能力。學(xué)生開始實驗時，任課老師不僅需要引導(dǎo)學(xué)生記錄水的濁度，而且要引導(dǎo)學(xué)生注意觀察礬花的大小和沉淀速度、水體的顏色變化等，并提醒學(xué)生進行拍照記錄實驗結(jié)果。如在實驗中出現(xiàn)異常結(jié)果，需由任課老師和學(xué)生一同分析探討原因，直至處理過的水樣清澈。不同小組之間結(jié)果可以有所不同，只要數(shù)據(jù)合理，操作規(guī)范，即可達到要求。

2 實驗結(jié)果分析

本次實驗分別選取了校內(nèi)中水站格柵后原水、高嶺土懸浮液、石膏懸浮液作為原始水樣，使用較為常用且效果較好的鐵鹽和鋁鹽作為混凝劑[4]，分別選擇了濃度為1.5 g/L的FeCl3和濃度為1.4 g/L的Al2（SO4）3。對比實驗結(jié)果，將選取混凝沉淀時間短、沉降速度快、最佳條件時投藥量最小、沉淀水處理后濁度最低的實驗操作條件，作為原水條件下最佳條件。通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)設(shè)計方案和研究。

2.1 格柵后原水

首先為了模擬實際污水處理廠中混凝效果，實驗采用了華北電力大學(xué)中水處理站格柵后的水作為原水，此原水的濁度為241 NTU，呈中性，室溫，其最小投 加 量FeCl3混 凝 劑 為2 mL，Al2（SO4）3混 凝 劑 為2 mL，即兩種不同的混凝劑的最小投加量并無區(qū)別。在確定混凝劑最佳投加量時，我們采用了0.618法。即首先通過觀察確定混凝劑的最小投加量，然后設(shè)計梯度，使加入混凝劑的量分別為最小投加量的倍數(shù)，根據(jù)實驗結(jié)果，留好去壞，通過測定剩余濁度，來確定不同混凝劑的投加量對剩余濁度的影響（下文確定最佳投藥量均以此方法測量）。根據(jù)濁度與混凝劑投藥量關(guān)系做圖1，可以得出格柵后原水添加FeCl3作為混凝劑的最佳投入量為12 mL，添加Al2（SO4）3作為混凝劑的最佳投藥量也為12 mL。

圖1 格柵后原水中混凝劑投加量與剩余濁度的關(guān)系

使用無機混凝劑時，pH是影響混凝效果的重要因素，不同混凝劑有不同的適合pH。通常來說，只有在合適的酸堿環(huán)境下，物理化學(xué)作用例如還原、吸附架橋等才能發(fā)生[6-7]，混凝效果才最好。各混凝劑的最佳pH值如圖2所示。根據(jù)圖2可知，投加FeCl3混凝劑的最佳pH為酸性，但理論上FeCl3的最佳pH應(yīng)為堿性，這是由于FeCl3的投加量過多導(dǎo)致水解，從而使溶液呈酸性。Al2（SO4）3的pH為7時混凝效果最好，與理論一致。因此1.5 g/L的FeCl3濃度與格柵后原水不匹配，1.4 g/L的Al2（SO4）3作混凝劑與原水較匹配。

圖2 水樣pH對FeCl3、Al2（SO4）3混凝效果的影響

2.2 高嶺土懸浮液

采用濃度為0.5 g/L的高嶺土懸浮液作為原水進行探究。原水濃度為619 NTU，呈中性，室溫，其最小投加量FeCl3混凝劑為1 mL，Al2（SO4）3混凝劑為1 mL。兩種混凝劑的最小投加量相同，與格柵原水相比，最小投加量有所下降。圖3、圖4分別為加入混凝劑FeCl3和混凝劑Al2（SO4）3的混凝效果，二者混凝效果有明顯區(qū)別：加入FeCl3混凝劑上清液中明顯有黃色懸浮物，且其礬花粒徑與密度都較大，比較容易沉淀；加入Al2（SO4）3混凝劑時，上清液無顏色，但礬花粒徑與密度較小，沉淀速度較慢。根據(jù)濁度與高嶺土懸浮液中混凝劑投藥量關(guān)系做圖5，可以得出，高嶺土懸浮液添加FeCl3作為混凝劑的最佳投入量為5 mL，而添加Al2（SO4）3作為混凝劑的最佳投藥量不明顯，未能準(zhǔn)確找出。故隨后探索了FeCl3作為混凝劑的高嶺土懸浮液的最佳pH值。根據(jù)圖6所示曲線可明顯看出，在堿性條件下，F(xiàn)eCl3作混凝劑能夠有更好的混凝效果。

圖3 高嶺土懸浮液中加入FeCl3的混凝效果

圖4 高嶺土懸浮液中加入Al2（SO4）3的混凝效果

圖5 高嶺土懸浮液中混凝劑投加量與剩余濁度的關(guān)系

圖6 水樣pH對FeCl3混凝效果的影響

2.3 石膏懸浮液

為了豐富實驗元素，給學(xué)生創(chuàng)造更多的選擇方案，還選取了石膏作為原料配制原水來探索其混凝效果。本次實驗選取濃度為5 g/L，濁度為257 NTU的石膏懸浮液作為原水，其呈弱酸性，室溫。石膏懸浮液作為原水時FeCl3混凝劑的最小投加量為0.5 mL，Al2（SO4）3混凝劑的最小投加量為1 mL。兩者相比較，F(xiàn)eCl3作混凝劑所需最小投加量小于Al2（SO4）3作混凝劑時的最小投加量。與前兩種原水比較，最小投加量有所減少。根據(jù)濁度與石膏懸浮液中混凝劑投藥量關(guān)系做圖7，可以得出，石膏懸浮液添加FeCl3作為混凝劑的最佳投入量為5.5 mL，添 加Al2（SO4）3作混凝劑的 最 佳投入量為2 mL。但從圖7可以得出，雖然Al2（SO4）3的最佳投入量較小，效果較為明顯，卻不利于實驗的開展，因為學(xué)生容易把混凝劑投入量的濃度梯度設(shè)置過大，從而導(dǎo)致錯過最佳投入量，找不到最佳投藥量，造成學(xué)生失去對科研的興趣，不利于提高學(xué)生的積極性。

圖7 石膏懸浮液中混凝劑投加量與剩余濁度的關(guān)系

2.4 結(jié)果匯總分析

通過分析此次實驗結(jié)論并對比查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)實驗中出現(xiàn)污水水樣濃度較高，與混凝劑不相匹配，導(dǎo)致最佳投入量尋找困難，混凝曲線不明顯等問題。

當(dāng)模擬污水水樣濃度較高時，最佳投入量將會偏高，也就是混凝曲線的拐點相較于低濃度模擬污水水樣相對靠后。在學(xué)生的實驗中，由于是設(shè)計性實驗，很有可能學(xué)生的投藥量梯度設(shè)置得不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致無法得出結(jié)論。

當(dāng)模擬污水水樣的pH略低時，混凝劑的混凝效果將會受到影響。由此次實驗結(jié)論可知，混凝實驗中使用的混凝劑FeCl3的最佳pH為堿性，Al2（SO4）3的最佳pH為中性，且在不同水樣中最佳pH變化不大。所以調(diào)整模擬污水水樣的pH有利于學(xué)生在設(shè)計性實驗中找到較為清晰的混凝曲線。

針對模擬污水水樣的混凝效果，在本次學(xué)生實驗的基礎(chǔ)上，把格柵后原水、高嶺土懸浮液、石膏懸浮液三者實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)高嶺土懸浮液效果最優(yōu)。首先，雖然格柵后原水經(jīng)過混凝后的效果明顯，但是由于它的氣味較為刺鼻，長時間暴露于該環(huán)境不利于身心健康；其次，雖然石膏懸浮液沒有異味，但是它的自然沉降速度較快，不容易形成穩(wěn)定的濁液，在混凝劑加入前就有大量石膏沉積，不利于實驗現(xiàn)象的觀察；最后，高嶺土懸浮液相較于其他兩者，沒有二者的缺點，且混凝前后濁度差較大，混凝效果較好，混凝曲線明顯，實驗現(xiàn)象容易觀察，實驗結(jié)論容易得出。故通過學(xué)生自主設(shè)計，得到了良好的效果，能夠解決一些實驗中遇到的問題，即哪種水樣更好，更有利于混凝劑混凝效果實驗開展，所以本次實驗改進較為成功。

3 結(jié)束語

通過對混凝劑混凝效果設(shè)計性實驗的改進與探索，不僅使學(xué)生在教學(xué)實驗中理解了混凝知識，而且通過學(xué)生緊密合作，自主設(shè)計，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、團結(jié)合作能力，使實驗過程更加具有開放性、研究性、設(shè)計性，使學(xué)生參與度大幅度提高，從而使混凝實驗更加完善，進一步體現(xiàn)了“研究型、國際化”的華北電力大學(xué)辦學(xué)特色。我們通過不斷改進和優(yōu)化實驗，取得了更好的教學(xué)效果，將研究性學(xué)習(xí)的改革進一步落實。

在今后的教學(xué)中，我們也要不斷加強學(xué)生對實驗步驟、實驗原理的認知，進一步端正學(xué)生實驗的態(tài)度，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新發(fā)展，塑造全方位發(fā)展型人才。這樣，不僅有利于實驗教學(xué)的開展，實驗課程效果的落實，更有利于學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的全方面發(fā)展。