固体废弃物处理与处置虚拟仿真实验教学的设计与实践

肖 敏，张玉革，林静雯，王英刚，魏建兵，高 丹

(沈阳大学 环境学院 区域污染环境生态修复教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110044)

环境工程专业涵盖化学、生物、地学、物理等学科知识，是一门运用给排水工程、化学工程、机械工程等技术原理和手段，协调环境与发展，保护和改善环境质量，解决废气、废水、固废、噪音污染等问题的综合性交叉学科[1-2]，以培养学生独立分析和解决复杂环境工程问题能力、培养具有创新精神和实践能力为主要目标，因此实验实践教学是该学科重要环节.

《固体废弃物处理与处置》是环境工程专业的主干课程，通过典型固废处理与资源化原理与工艺，培养学生相关工程实践能力.但在固废综合性实验的实践教学中，如垃圾焚烧、好氧堆肥、厌氧发酵等实验，存在着试验周期长、二噁英及恶臭气体排放、微生物驯化培养耗时较长等问题，使得实验操作存在诸多不确定性[3].

虚拟仿真实验采用过程模拟仿真技术，将设备工作原理算法化，根据工艺流程结构搭建数学模型[4-5]，已在生物、土木、药学、环境工程等高危环境操作及实践教学领域中进行了探索与实践[3，6-9]，学生根据指导教师所设定情景，进行在线预习、工艺设计与选择、数据处理、分析计算，借以进行大型设备的操作、设备故障现象再现、工艺调控等，培养学生动手能力和提高对设备、工艺的理解能力.

以固废实验教学为例，借助东方仿真软件进行虚拟仿真，针对垃圾焚烧、好氧堆肥和厌氧发酵工艺建立虚拟仿真模块，模拟垃圾焚烧系统、烟气净化系统、渗滤液处理系统、灰渣处理系统等单元设备结构与操作现象；模拟堆肥前处理、发酵等多个环节，帮助学生熟悉设备流程及典型工艺过程，学习设备阀门、设备和仪表的正确操作步骤，使学生熟悉垃圾焚烧发电、好氧堆肥与厌氧发酵工艺相关基础知识、工艺流程、培养实操能力和工程设计能力，弥补实体实验的不足，还原真实操作场景，以期为高校环境工程专业虚拟仿真实验教学体系建设提供经验和借鉴.

1 固废虚拟仿真综合实验及系统组成

1.1 固废虚拟仿真实验内容

固废虚拟仿真综合实验内容主要包括垃圾焚烧发电工艺、好氧堆肥及厌氧发酵工艺、主要设备及仪表、工艺流程等.其教学体系包括仿真操作型实验、工程实践型实验和仿真设计型实验3部分，如图1所示.

图1 固废虚拟仿真实验技术路线

1.2 固废虚拟仿真实验系统组成

依托仿真软件，结合固废工艺原理和人工设计计算过程，该实验分为6部分：理论知识考核及拓展、虚拟仿真实验情景设计、仿真设计型实验设计、虚拟仿真实验结果处理与分析、故障排查与调整、虚拟仿真实验成绩评定.

首先，学生要对垃圾焚烧技术及热值计算、好氧堆肥及厌氧发酵理论及工艺有一定的理解，掌握实验原理，理解实验目的，明确实验步骤；其次，明确实验参数的设置、分析与处理方法；学生结合所学知识，根据老师提供的设计情景，自行设计实验方案，先采用手算方法进行初步设计，而后通过仿真实验进行单因素或多因素影响模拟实验进行优化计算与校核，并比较分析两者结果；最后结合实验运行结果与过程调试情况，撰写分析报告及仿真实验设计报告，并通过答辩方式进行结题考核.

2 虚拟仿真实验过程

2.1 理论拓展及流程设计

引导学生回顾所学固废焚烧与生物处理工艺相关理论、流程、参数、单元设备和注意事项；利用环境微生物学、水污染控制工程、大气污染控制工程、环境生态及监测模块，复习COD、CH4、CO2、总氮及大肠杆菌等测定，融会贯通专业脉络.

垃圾发电工艺系统模拟 500 t/d 的垃圾焚烧处理过程，采用控气型固体废弃物热分解处理技术(CAPS)，结合垃圾存贮给料系统、焚烧、热能利用发电、烟气净化和灰渣熔融系统的工艺流程如图2所示.在该技术流程中，生活垃圾经计量、破碎预处理后，由抓斗进入焚烧炉，分别通过将垃圾彻底燃烧，产生的炉渣由等离子灰渣熔融炉处理.垃圾渗滤液经过滤网进入渗滤液处理系统焚烧过程中会有一次风、二次风与投油助燃系统，以保证充分燃烧、控制烟气浓度；烟气经余热锅炉、过热器、蒸发器和省煤器，进入汽轮机发电系统；剩余烟气经洗气吸收塔后经活性炭吸附通过旋风与布袋除尘器系统排放[10].在仿真试验中，对工艺开停车步骤和阀门、设备及仪器的正确操作及应急响应方法及典型事故处理进行培训(如：烟尘、SO2及NOx浓度过高，焚烧炉温度过低等)；并记录石灰浆液、氨水的使用量烟气温度、烟气量等指标参数.

好氧堆肥及厌氧发酵工艺系统主要包括好氧/厌氧发酵反应器主体、供风系统、渗滤液收集和回灌系统实验装置和控制系统，好氧发酵反应的渗滤液收集和回灌系统包括渗滤液收集池、回灌水泵、控制调节阀、流量计装置.模拟生物处理过程的影响规律，掌握影响因素对好氧堆肥或厌氧发酵处理的变化规律；掌握基本操作方法，探究反应器结构及运行方式、温度、时间、pH等对产气量、沼气成分、COD变化的影响规律，认识环境温度、C/N比等因素产生的影响.

图2 垃圾焚烧发电流程

2.2 虚拟仿真实验情景设计

学生根据指导教师所设定的情景模式进行虚拟实验，在仿真操作界面自由选择实验工况，设置对应参数.例如，在餐厨垃圾厌氧发酵仿真实验中，设定C/N比为24∶1的碳氮比发酵原料在 45 ℃ 高温环境中进行厌氧发酵.

学生首先根据原料组成，手动计算厌氧发酵过程中CH4、CO2产量理论值，并对产生的数据进行分析处理；再通过仿真软件完成厌氧发酵实验，并绘制温度、pH随时间的变化，记录在试验期间CO2、CH4成分和产气速率.仿真实验操作界面如图3 所示，学生按情景设定相应碳氮比、温度等参数值，记录发酵过程参数变化情况并与理论值进行对比分析，结果如图4所示.

由图4(c)可见，厌氧发酵实验中，学生手动计算得到的CH4产量理论值与仿真实验值吻合较好，相对误差小于10%，满足工业设计的要求.误差来源于产甲烷模型的简化假设等方面.

图3 厌氧发酵仿真实验装置及操作界面

图4 厌氧发酵过程图

2.3 仿真设计型实验设计

利用计算机辅助手段，对单体工艺过程进行分析及工艺参数影响分析，进而对固废处理过程系统进行分析，确定其各个部位的属性和性能指标.

如在好氧制堆肥仿真试验中，考查温度对过程的影响.首先，学生回顾堆肥温度范围及其机制，而后利用仿真软件分别设置环境温度为25、35、55 ℃，进行好氧堆肥实验，记录数据并绘制图表，如图5、6所示，结合相关文献分析讨论.

图5 好氧堆肥与仿真实验装置及操作界面

图6 温度对好氧堆肥过程的影响

由图6可知，初始温度 55 ℃ 的好氧堆肥过程酸化周期较25、35 ℃ 显著增长，体系升温节点推迟，且体系pH值下降幅度较大，结果表明在反应初始阶段，环境温度过高，抑制了嗜温菌的活性，降低可溶性有机质的降解速率，抑制堆肥反应的进行；但随着初始温度的升高，难溶性有机质的水解程度显著增加，提升固废的生化降解程度.

2.4 数据处理与分析

根据实验情景进行虚拟仿真实验，依据变化趋势对实验结果进行分析讨论，观察实验现象，记录仿真实验数据，根据产物指标判断工艺参数优化的准确性，建立动态稳定运行工艺的工程理念；熟练掌握Origin及Excel等软件绘图技巧与分析处理数据方法；并可进行多方案的对比分析，撰写实验报告.

2.5 故障排查与调整

结合实际案例，提出问题，引导学生给出解决方案和流程；或在学生进行仿真实验运行过程中，系统发生故障报警时，指导学生理论联系实际，进行系统参数的调试，做出方案结论并进行经济效益分析，进一步强化工程意识，锻炼学生对设备故障的排查能力；通过设置应急演练，使学生警惕实际生产中的安全隐患，锻炼学生应急处理能力，有效解决现场实习的不足.

2.6 实验成绩评定

实验指导教师通过设计计算结果、实验运行、故障排查与调整、模拟实验分析报告、仿真设计报告及答辩情况综合评定学生成绩，包括实验操作及理论知识两个方面进行.例如垃焚烧发电工艺中相关基础知识、工艺流程、控制参数等，能够根据工艺流程图找到相关的处理单元，并学习和掌握设备的内部构造和运行原理，回答教师在课堂上关于实验原理、工艺单元、设备构造、数据分析处理、单元操作等方面的提问；并能通过自主设计焚烧工况参数影响模拟实验，探寻最优运行条件和优化设计.理论知识测评成绩占总评成绩的20%.学生进行固废处理工艺流程进行虚拟仿真实验操作，根据操作顺序、操作规范和参数选择的准确性等对操作技能进行分析评分，操作技能得分占总评成绩的40%.根据固废处理工艺流程选择，开车运行调节并优化工艺运行参数，掌握不同运行参数条件下，系统对固废的处理效果，仿真实践型和设计型实验操作占总评成绩的20%；实验结果达标考评及模拟实验分析报告、仿真设计报告的成绩占总评成绩的15%，并引导学生将仿真实验项目与仿真设计大赛、大学生创新创业项目、辽宁省环境生态科技大赛、国家及省市级科研课题、横向课题等实际需求及科技创新竞赛相结合，通过仿真实验数据处理与分析讨论，指导学生撰写科技论文，以项目获批级别、获奖级别和发表论文情况等方面进行考核，此部分占总评成绩的5%.

3 教学效果

引入仿真实验教学5年来，学生学习积极性有了明显提高，参与工程创新性的项目逐年增长，工程理念得到进一步提升.通过虚拟仿真实验，使学生熟悉工艺流程设计及操作单元的组合，锻炼学生对设备故障的排查能力；通过设置应急演练，使学生警惕实际生产中的安全隐患，锻炼学生应急处理能力，有效解决现场实习的不足.通过实验的开展与完成不仅使学生了解、熟悉项目各主要环节的要求和规范，在实践过程中主动学习新的知识，提高了文献收集和分析能力，还激发学生对专业的兴趣，积极参加科研课题、科技创新竞赛及大创计划，并将仿真实验的结果与实体实验进行对比分析，促进部分学生继续深造学习.先后有57名学生在省级以上期刊上发表科研论文；有233人获得国家级、省市级、校级以上“挑战杯”“大学生创新创业训练计划”等各种奖励和荣誉[11-13]；几年来，考研率节节高升，学生由我校环境工程专业考入中科院生态所、华南理工大学、大连理工大学、东北大学、辽宁大学、沈阳建筑大学、南京农业大学等院校的研究生，并在从事科研课题研究中取得较好成绩.近5年来，我院环境工程专业学生能更针对性地学习了解并分析解决生产运行相关实际问题，提高了专业学习效果.在的能力方面，毕业生以工作踏实、动手能力强及较强的分析解决复杂环境工程问题能力得到了用人单位一致好评，提升我校学生在业界中的认可度.

4 结语

本文以固废综合仿真实验为例，阐述了环境工程专业虚拟仿真实验教学的设计与实践过程，构建仿真实践教学模式，侧重培养学生创新与动手能力及独立分析解决复杂环境问题的能力；通过虚拟仿真实验，使学生熟悉环境工程相关基础知识、工艺流程、培养实操能力和工程设计能力，避免实验安全风险等不确定因素，加强学生对专业理论知识的掌握，提高学生的科研素养和创新能力.