有机废水处理综合设计型实验教学模式的探索与实践

2011-08-01毕亚凡关洪亮

武汉船舶职业技术学院学报 2011年5期

张莉毕亚凡李亮关洪亮

（武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北武汉 430073）

根据教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》中指出：“高等学校要重视本科教学的实验环节”，“开设一批新的综合性、设计性实验”的要求［1］。课程组从2007年开始在部分学生中尝试一种新的实验教学模式，并逐步修改环境工程专业实验教学大纲，形成了涵盖基础型实验、综合设计型实验、创新型实验三个层次的环境工程专业实验课程体系。［1］

综合设计型实验教学，打破了专业课程界限，提倡知识融合，通过校内实验教学示范中心等实践教学平台，结合环境学科科研发展优势和特色，将先进的科研成果引入实验教学，开设大型演示模拟工业实验、仪器操作测试实验，接近工程实际，并融进环境工程的新方法、新技术，尽量做到知识性、实用性和趣味性的统一［2］。

学生在实验过程中必须掌握实验研究基本思路、实验过程设计方法，收集、整合各类信息的方法，自主开展实验工作。

通过综合设计型实验教学，使学生全面掌握环境工程知识体系，激发学生的工程实践应用能力与创新思维能力。

1 实验内容

1.1 实验对象

有机废水：黄姜皂素废水

进水水质：COD：30000－35000mg／L、SS：300－450mg／L、SO42－：9300mg／L、pH：0.4－1.5、色度3500倍。出水水质：达到《皂素工业水污染物排放标准》（GB20425－2006）限值标准。

1.2 实验安排

参加方式：学生自主参与，老师指导为辅，分小组轮流进行，每小组6人。

时间安排：本实验共15学时；5学时实验准备，10学时进行污水处理。

实验地点：国家级“环境与化工清洁生产实验教学示范中心”。

2 综合设计型实验教学模式

2.1 创新专业实验教学模式的内容、方式

（1）创新专业实验教学模式的内容

三层次、六模块：三层次是指基础型、综合设计型、创新型实验三个层次，三层次实验课课时比例为3∶2∶1。其中分别设置六个模块。即基础型实验设置“三基”训练、“单元操作”训练两个模块，综合设计型实验设置“一级”训练、“二级”训练、“三级”训练三个模块，创新型实验设置专题研究一个模块。

（2）创新专业实验教学方式

“实验训练、能力磨练、创新演练”三层次循序渐进的实验教学，采取以学生动手操作实验为主，辅以必要的课堂讲授、自学、现场指导、质疑、综合考查等手段，通过各种实验的全面训练，促使学生掌握环境工程基本的实验技术，验证和巩固专业理论知识。

2.2 综合设计型实验教学

（1）综合设计型实验教学模式

综合设计型实验设置“一级”训练、“二级”训练、“三级”训练三个模块，其中“一级”训练是指仅包含单门课程而设的课程式实验，“二级”训练是指包含一组相关核心课程和部分研究项目而设的课程和项目结合式实验，“三级”训练以研究项目为主而设的项目式实验。在综合设计型实验中，以“一级”训练为基础，“二级”训练为核心、“三级”训练为提高，三级训练螺旋递进，由易到难，将核心课程教育与专业技能有机统一起来，通过综合技能训练，为提高学生为自主创新能力奠定基础。

以有机废水处理实验为例，该课题来源教师科研项目，实验中涉及了一组环境工程专业实验（如以水污染控制工程为主，涉及环境监测、环境微生物、固体废物处置等），属于课程和项目结合式实验，主要达到“二级”训练的目的。

（2）综合设计型实验教学过程

有机废水处理综合设计型实验从2007年以来，在四届本科学生中，按照上述创新教学模式进行实验。

在实验过程中，各组学生根据老师提供的黄姜皂素废水，结合自己收集的资料，确定实验方案，组装实验设备，写出实验步骤，独立完成实验全过程，实验过程如图1。

（3）有机废水处理综合设计型实验实例

学生独立设计的实验流程见图2所示。黄姜皂素废水酸度大，pH值在1.0左右，同时含有过量的硫酸根离子，生化处理前必须进行预处理。在中和反应槽中，废水在搅拌的状态下投加石灰乳直至中性，然后沉淀去除硫酸钙。中和后的废水进入ABR酸化槽，在酸化池中厌氧预酸化。预酸化出水流经内电解槽。自内电解出水进入IC反应器底部，在IC反应器内进行三阶段两相厌氧的末端代谢—产甲烷相。IC反应器出水经接触氧化、混凝脱色处理后达到排放标准。

图1 综合设计型实验教学过程

图2 黄姜皂素废水处理工艺流程

学生通过查阅大量废水生物处理设备，并对其工艺参数和处理效果进行定量比较后，提出了较为创新的水解酸化池——ABR反应器，并利用团队合作设计，自制该设备。其结构和原理：ABR酸化槽被垂直的导流板分隔成4个串联的反应室，形成厌氧折流板反应器，废水在反应室内沿导流板作上下折流流动，逐个通过各个反应室推流前进，在水流方向上形成彼此串联的隔室。使其具有良好的微生物功能分区，同时整体的推流确保一定的底物浓度梯度，这就使得不同类型的厌氧发酵茵及其他厌氧微生物能够在沿着各个隔室中顺次实现分离，并在各自最优条件下发挥功能、稳定运行。实验装置见图3。

图3 ABR反应器结构示意

3 综合设计型实验教学效果

（1）实验教学模式的综合效果

综合设计型实验靠一个人是完不成的，需要同组的所有成员协同操作。通过2004级65人，2005级76人，2006级82人，2007级68人的强化综合设计训练，以问题为导向，开展研究式、讨论式、团队式教学，强化以工程实例为载体的案例教学。教学效果表1。

表1 近三年学生取得的教学成果

除此之外，2005级本科学生5人还参与《皂素工业水污染物排放标准》（GB20425－2006）的编制，他们通过对有机废水处理实验结果的重复性实验，在教师指导下，处理实验数据，总结实验方法。

（2）专业课程的关联效果

虽然本实验是以水污染控制工程为主体实验，但也涉及环境监测实验，如化学需氧量（COD）的测定——重铬酸钾法、氨氮（NH3－N）的测定——蒸馏和滴定法、色度的测定——稀释倍数法、五日生化需氧量（BOD5）的测定——接种与稀释法、挥发性脂肪酸（VFA）的测定——滴定法、污泥浓度（MLSS）的测定——重量法、悬浮物（SS）的测定——重量法等，并涉及环境微生物实验，如固着型纤毛虫如钟虫镜检、规则形状的菌胶团镜检等，以及固体废物处置实验，如生物污泥的利用、脱色渣的处理等。

因此，有机废水处理综合设计型实验将多门课程有机结合在一起，互相渗透，即解决了基础型实验盲目重复问题，又节省了实验开支。