计算机仿真在环境工程实践教学中的应用

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计算机仿真在环境工程实践教学中的应用

发布日期： 2014-03-27 发布：  

  2014年5期目录       本期共收录文章20篇

　　摘要：近年来，基于数学模型的污水处理工艺仿真在污水处理领域得到了广泛应用。为了使学生更好地适应就业要求，在环境工程毕业实习实践教学环节中引入了基于计算机仿真的数学模型分析环节以使学生更好的将理论知识与工程实践相结合。实践证明，在环境工程毕业实习教学中引入计算机仿真分析这一现代化的教学手段，有效提升了实习的针对性和系统性，提高了学生理论联系实际和解决实际问题的能力。
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　　关键词：环境工程；污水处理；实践教学；仿真
　　作者简介：周振（1981-），男，山东临沂人，上海电力学院环境与化学工程学院，副教授；张萍（1960-），女，上海人，上海电力学院环境与化学工程学院，副教授。（上海 200090）
　　基金项目：本文系上海市教委精品课程《给水处理工程》、上海电力学院研究生课程建设、上海电力学院培英计划的研究成果。
　　中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0186-02
　　作为以培养应用型人才为主的环境工程专业，毕业实习是其实践教学过程中的重要环节，可加深学生对基础知识的理解与掌握，提高学生利用理论知识分析与解决实际问题的能力。[1，2]其中，污水处理厂的现场参观学习通常是环境工程实践教学环节的重要内容。现场参观学习需要了解污水处理工艺、控制过程和运行管理措施，但由于实践教学存在时间紧、现场介绍直观但不够系统等问题，导致学生的实践学习往往流于表面，缺乏对污水处理系统的全面了解，更无从谈起实际运行管理与理论知识的结合。
　　随着科学技术的迅猛发展，计算机仿真技术越来越广泛地被应用于各领域的专业教学，如自动化、[3]水电机组监测与故障诊断[4]等。目前，计算机仿真在环境工程实践教学中的应用偏重于运行演示，[5]缺乏与实际污水处理厂的关联及运行管理原理分析。本文拟在毕业实习环节中引入国际水质协会推荐并经实践检验的活性污泥模型（ASM）[6，7]和污水处理专业仿真软件WEST，[8]建立典型工程案例的污水处理工艺模型，通过整体介绍与细节分析让学生掌握污水处理中的关键运行控制变量，让学生目的明确、全面深入的了解污水处理过程和运行特性。
　　一、污水处理系统仿真软件概述
　　污水处理系统仿真软件一般由动力学模型、模型表达、参数校正、数值分析、数据表达和用户界面等模块组成。[7，9]在污水处理领域，用于数学模拟的软件可分为四个层次：[7，9]一是电子数据表，可进行稳态计算，实现针对普通微分方程的简单数字程序；二是低端通用型语言（如FORTRAN、C、Basic等），创建模型的灵活性最高，但耗时费力；三是通用仿真软件（如Mathematica、MATLAB等），能够执行模型运算，可从网上下载；四是专业仿真软件（如BioWin、WEST等），主要由预定义的工艺模型单元库构成。
　　WEST3.7.5将用于本文污水处理系统仿真和工艺分析。WEST软件是由比利时Hemmis公司与Ghent大学联合开发的、用于污水处理工艺动态模拟的专业仿真软件。通过引入组件单元（如活性污泥反应器、沉淀池、传感器等），软件可帮助用户使用分级图形编辑器构建模拟对象，并建立组件单元间的关联；后台模型库中提供了大量的组件模型以供选择。软件为高级用户提供了二次开发平台，通过MSL数据库可实现用户对模型库的自定义扩展。WEST软件目前在欧洲、北美、亚洲和澳大利亚拥有许多用户，在工业废水和生活污水处理领域均有应用。
　　二、模拟仿真在实践教学中的应用
　　目前上海市共有53家城镇污水处理厂，其工艺包括厌氧/缺氧/好氧、缺氧/厌氧/好氧、氧化沟、Unitank、MSBR等，千差万别的工艺使学生在多家污水处理厂的参观实习过程中很难把握其本质。因此，针对不同处理规模、工艺差别较大、处理目标不尽相同的污水处理厂，如何提炼污水处理运行管理中具有普遍规律性的内容并掌握应用就成为毕业实习教学的重点。
　　由于大部分城市污水处理系统均采用二级生物处理工艺，，通常涉及到厌氧、缺氧、好氧和固液分离4个处理过程，以满足COD降解、悬浮固体去除、硝化、反硝化和强化生物除磷的需要，因此引入ASM模型对典型生物处理系统进行研究将具有普适性的意义。此外，对污水处理厂能够进行调控的操作变量进行梳理，可概括出污水生物处理系统的6大操作变量：进水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧设定值。为此，可通过计算机仿真技术操作变量进行详细分析，以得到不同运行参数下影响污水处理厂出水各指标的最佳调控变量。典型的计算机仿真工艺流程[8]如图1所示。
　　在计算机仿真教学过程中，兼顾了系统整体介绍和细节分析，既通过仿真分析介绍了控制变量对出水水质的影响，又通过动力学模型分析解释了污水处理厂控制参数设置的合理性。如参观污水处理厂的溶解氧设定范围为2～3mg/L，为了有助于学生分析其设定范围的合理性，在实习过程中引入了ASM中开关函数的概念，并通过模型演示介绍了溶解氧对反应速率的影响（见图2）。通过相关的模拟仿真分析，加深了学生对实习过程中污水处理过程工艺控制的认识，有助于学生理论知识与实践知识的融会贯通。
　　为了更好地突出数学模型仿真教学的优点，在毕业实习过程中，首先给学生布置部分问题，让学生带着问题进行污水处理厂的现场参观学习。待完成现场参观学习后，要求学生进行实习内容总结，数学模型仿真与实例分析安排在实习内容总结之后。在计算机仿真演示之外，要求学生结合专业知识对仿真结果进行分析，并对仿真结果进行估计。与此同时，结合计算机仿真和数学模型计算对实习过程中参观污水处理厂的工艺特点和存在问题进行分析。
　　在工程实例分析中，选取上海市的典型污水处理厂氨氮去除效率高但出水总磷浓度过高的案例进行分析，并通过计算机仿真分析提出运行管理建议。考虑到氨氮和总磷的协同达标问题，通过模拟仿真分析建议增加排泥量降低系统污泥龄以有效降低出水总磷，并适当降低好氧曝气过程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干扰反硝化和厌氧释磷，这也有助于降低出水总磷浓度。 　　三、实践教学效果分析与建议
　　实践表明，将计算机仿真教学与污水处理厂现场实习结合，能收到很好的实习效果。与传统的参观实习方式相比，计算机仿真作为对实际生产过程的等效描述，能以其独有的技术和效果为学生提供一个良好的多通道学习机会和训练创造性思维的氛围。通过系统性的对污水处理工艺过程进行描述分析，学生能够将现场参观实习的感性认识上升到系统分析的理性认识高度。仿真操作不仅可以使学生将所学的理论知识与实践结合起来，也可以为他们的思维提供一个宽广的空间。计算机仿真分析的工艺流程演示有助于学生树立起全局观念和学习的积极主动性，这是因为仿真分析需要用系统的观点对污水处理工艺的运行管理及可能达到的效果和出现的问题进行分析，要求运用所需知识探索各种参数之间的相互影响，才能得出最佳的运行管理效果。
　　从2011年和2012年的毕业实习教学效果来看，基于数学模型的污水处理工艺仿真演示对提升教学质量有非常明显的效果，学生的学习积极性和动手能力都得到了较大的提高。从学生实习报告的质量来看，对工艺流程和单元模块作用的分析较以往深入，对实习过程中问题的回答方向性也更为明确。
　　当然，计算机仿真技术应用的前提是对相关模型的深入了解，但目前教学环节中尚缺乏对污水处理数学模型的系统讲授，这就造成学生对数学模型与结果分析的理解较为吃力。因此，在实践教学中简化了建模与模型分析的步骤，要求学生集中更多精力用于模型结果的分析。另外，由于数学模型仿真分析是一项耗时费力的工作，在2011年和2012年毕业实习引入计算机仿真分析时，仅采用多媒体课件的形式进行结果的分析演示，今后将考虑分步骤引入案例小组讨论、模拟仿真分析实验等内容。
　　参考文献：
　　[1]李春杰，贾金平，王文华，等.环境专业实践教学和实验课程体系的建设[J].中国大学教学，2007，（2）：18-19，22.
　　[2]黄锦勇，刘爱华.基于环境工程应用型人才培养的实践教学改革探讨[J].中国电力教育，2011，（28）：141-142.
　　[3]李姿.MATLAB仿真在自动化专业教学实践环节中的应用[J].中国电力教育，2010，（9）：134-135.
　　[4]郑源，潘虹.计算机仿真系统在水电机组监测与故障诊断教学中的应用[J].中国电力教育，2012，（9）：110，116.
　　[5]孟庆建，何志勇，许宁.计算机仿真系统在环境工程专业实践教学中的应用[J].化工高等教育，2004，（4）：66-68.
　　[6]Henze M，Gujer W，Mino T，et al.Activated sludge models ASM1，ASM2，ASM2d and ASM3[R].London： IAW Publishing，2000.
　　[7]周振，吴志超，顾国维.活性污泥系统仿真软件的研究进展[J].中国给水排水，2010，26（4）：1-5.
　　[8]Zhou Z，Wu Z，Wang Z，et al.Simulation and performance evaluation of the anoxic/ anaerobic/ aerobic process for biological nutrient removal[J].Korea J Chem Engin，2011，28（5）：1233-1240.
　　[9]Morgenroth E，Arvin E，Vanrolleghem P.The use of mathematical models in teaching wastewater treatment engineering[J].Water Sci Technol，2002，45（6）：229-233.
　　（责任编辑：孙晴）

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