独立院校水处理实验课程改革初探

王文琴，樊 娟，张盛楠，王淑静

(天津大学仁爱学院 建筑工程系,天津 静海区 301636)

“水处理实验”是给排水科学与工程专业的必修课,是给排水科学与工程专业水处理教学的主要内容之一,是培养给水排水工程高级专业技术人才必要的实践性教学环节及专业基本技能的重要基础。目前,关于水处理课程改革方面的研究已取得不少进展[1-4]。然而,传统的实验教学模式已很难满足对当前大学生创新意识和创新能力培养的需要[5-9]。

1 原水处理实验课程情况

天津大学仁爱学院水处理实验课程总学时为32学时,共计2学分。其中包括9个实验,有混凝、过滤、活性炭吸附、离子除盐的给水类实验；有颗粒自由沉淀、曝气充氧、活性污泥指数测定的污水类实验；还有芬顿实验、加压溶气气浮的工业废水处理类实验。虽然实验项目较多,但是基本都是验证性和综合性实验,本课程急需增加设计类实验,传统的实验教学对学生综合能力和创新能力的培养有一定的局限性。

另外,本课程是纯实验课程,如何改革成绩考核和评定方式,客观、恰当、真实地反应学生的真实学习情况也是个瓶颈问题。学校水处理实验课程原采用实验报告和平时实验操作情况相结合的考核方式,实验报告占总成绩80%,平时实验操作情况占总成绩20%。这种考核方式难以保证学生很好地完成实验,其创新能力也得不到锻炼。为了使学生能够牢固地掌握操作方法和要点,还要从预习情况、操作能力、实验态度和数据分析等多方面来整体衡量。

2 课程改革主要措施

2.1 实验内容改革

在设置验证性实验的同时也要设置一定数量的设计性实验和综合性实验。

针对学校学生的学习能力和专业学识水平,适当增加综合性和设计性实验,让学生自主设计实验步骤,经教师审核后自行准备实验设备及耗材,各组独立完成实验,最后在多媒体上展示自己的研究成果。

根据学校学生的实际情况,本文特以水处理实验中的经典基础实验(混凝实验)作为改革对象,要求学生根据混凝实验基本原理与理论进行实验方案的拟定,包括独立设计水样选择、混凝剂选择、最佳投药量选择、最佳水力条件等其他混凝效果因素影响分析、工艺选择等内容。指导教师提前几周布置实验任务,讲述实验注意事项,并把不同课题按照难易程度分类,学生分组后可根据自己情况进行选择,并独立进行仪器设备的准备和混凝剂的制备等。指导教师对学生提出的方案进行检查,证明其可行性后再准予学生开始实验。这项实验内容的改革将大大提高学生的自主、创新学习的能力,为今后开展更多的设计性、开放性实验奠定基础。

2.2 教学方式改革

多媒体演示教学能够在实验方案设计、检测设备的认知和使用方法等方面发挥其直观性、图文并茂、信息量大等优势。由于水处理实验课程的实践性质非常强,传统课堂讲授与现场指导相结合的教学方法能够显著提高学生的兴趣和互动性,但是仍不能达到实现该课程教学目标的要求。如果在学生开展实验过程中增加多媒体环节,可以在实验课程中通过多媒体让大家回顾实验所需的理论知识,还能播放实验视频作为辅助教学手段,这样不仅能大大提高学生的学习兴趣,还能减少实验教学中不必要的体力劳动。

2.3 考核方式改革

考核方式不仅要能有效地反映学生对实验掌握的程度,也要成为激励学生认真对待实验过程的有效手段。以前的实验环节考核基本以学生的实验报告为主,改革后将把考核的内容和范围扩大为课前预习、操作技能、动手能力、解决问题能力、实验态度、实验结果和分析报告等。即实验评价结果侧重于实验过程之中,对学生的整个实验过程进行总体评价,通过改进考核方法,可以调动学生实验的积极性,提升学生解决问题能力和动手能力,而且还能提高实验的正确性,促进实验整体水平的发展。此外,对学生的考勤、卫生工作也需要进行量化考核,这不仅可以提高实验教学效果,同时能够培养学生严谨的治学态度。

3 课程改革成果

3.1 实验内容改革

“水处理实验”课程针对混凝实验进行了变革。该实验为设计性实验,如表1所示。学生可从方案中自由选择实验方案,亦可创新实验设计方案。每组成员需明确各自分工,合作完成实验整个流程及实验报告。

表1 设计性实验题目

3.2 学生实验成果展示

3.2.1 不同混凝剂对混凝效果影响

向水中投加的能使水中胶体颗粒脱稳的高价电解质,称之为 “混凝剂”。混凝剂可分为无机盐混凝剂和高分子混凝剂。水处理中常用的混凝剂有三氯化铁、硫酸铝、聚合氯化铝等,实验中学生对几种常用的混凝剂对混凝效果的影响进行了分析。

在原水浊度为19.6,温度为21℃,pH值为8的情况下,硫酸铝的最佳投药量为10 mg,聚合氯化铝的最佳投药量为6 mg,三氯化铁的最佳投药量为3 mg。结果表明,在相同水质且铁盐相同的条件下,铁盐投加量要低于铝盐,聚合铝投加量又会低于硫酸铝。三氯化铁去浊率效果要大大优于铝盐。

3.2.2 助凝剂对混凝效果影响

结果表明,AC-PDMDAAC复合混凝剂处理后,絮体的沉降性能优于PAC单独投加,但复合混凝剂的投加量受到PDMDAAC投加量的影响,通过絮凝实验发现,在复合比例为1%时,混凝效果最佳。当PDMDAAC的量再增多时,会使混凝效果下降。

3.2.3 混凝剂投加方式对混凝效果影响

混凝剂的投加方式一般分为干投和湿投两种。

1)干投投加把药剂直接放到被处理的水中；

2)湿投投加先把药剂配成一定浓度的溶液,再投加污水中。通过文献可得知最佳投药量,并且在水温、pH、水质、水力条件相同的情况下,将两种投加方式作为单一变量进行实验,通过观察矾花的形成和得出的结果,最终分析两种投加方式的优缺点。

图1 不同投加方式的矾花图

如图1所示,左边三个均为干投投加混凝剂,矾花的总量要略微低于右边通过湿投投加混凝剂的矾花总量。在实验过程中也发现,左边干投的矾花的平均大小要小于右边湿投混凝剂的矾花大小。在其他因素一定,根据观察矾花形成定性分析和测浊度的定量分析,最终得出湿投比干投效果好。

3.2.4 不同水力条件对混凝效果影响

水力条件对混凝效果的影响是很大的,水中投加混凝剂后,胶体颗粒发生聚凝而脱稳之后相互聚集,逐渐变成较大的絮凝体,最后长大至能发生自然沉淀的过程,在此过程中必须严格控制水流的混合条件。

混合和反应需要消耗能量,速度梯度G值能反映单位时间单位体积水消耗能量的大小,通过控制速度梯度G来控制混合和反应的条件。一般情况,混合阶段的G值应大于300～500/s,时间不超过30 s,G值越大混合时间越短,以保证快速均匀混合。反应阶段的G值平均为20～70/s,时间为15～30 min,随着矾花逐渐增大,G值宜逐渐降低,在实际设计中反应阶段G值,开始时可采用100/s左右,结束时采用10/s左右。

学生采用正交实验法,对不同水力条件进行组合实验得到最佳水力条件。结果表明,最佳水力条件为T1＝1 min,n＝300 r/min；T2＝2 min,n＝150 r/min；T3＝3 min,n＝60 r/min。 最后通过验证其不同转速下的G和GT值,均符合设计要求。

3.2.5 不同pH对混凝效果影响

pH值过低(小于4)则所投混凝剂的水解受到限制,其主要产物中没有足够的羟基进行桥联作用,也就不容易生成高分子物质,絮凝作用较差；如果pH值过高(大于9),又会出现溶解产生带负电荷的配合离子而不能很好地发挥混凝作用的情况。实验中学生对pH对三氯化铁混凝效果进行了分析。结果表明:当pH值在8附近时,混凝效果最佳；当原水的pH值在6.5～9.5之间时,1%三氯化铁的混凝效果较好。

3.2.6 混凝与其他工艺共同处理微污染源水分析

1)混凝与活性炭吸附工艺。

实验先通过单因素试验,了解单因素的影响状况,了解其作用显著的范围,确定一个因素范围,在此基础上进行多因素的正交试验得到最优组合。测定指标选取UV254,它是衡量水中有机物指标的一项重要控制参数,在国外经过近二十年的不断研究,已被水处理研究和管理人员普遍接受和使用[12]。

根据已定的因素、水平及选用的正交表,共需组织9次实验,每次具体实验条件如表2所示。

表2 微污染水处理正交实验方案表L 9(3 4)

结果表明,单纯的处理工艺尽管能降低浊度,但去除不理想。优化的混凝-粉末活性炭工艺,在粉末活性炭和FeCl3投加量分别为0.02 g/100 mL和10 g/L的条件下,并且在pH值为5.5,反应时间为40 min时,去除浊度的效果最好。

2)混凝与气浮工艺。

通过单一的气浮工艺和混凝气浮结合工艺对比实验,研究两种工艺对微污染源水处理效果,本实验监测了实验前后浊度、pH和溶解氧三个指标。结果表明:通过单一气浮装置可明显降低水质浊度,浊度去除率达74.8%；第二次试验加入混凝剂PAC后,采用混凝和气浮工艺组合,使浊度去除率达到85.1%,浊度去除效果更加显著。单一气浮工艺出水pH与原水基本保持一致；组合工艺因投加高分子混凝剂,由于混凝剂的水解反应,其出水的pH有小幅度降低。两种工艺出水的溶解氧都有小幅度增加,这主要是气浮实验中存在加压溶气的特点导致。

4 考核方式改革成果

本实验课程改革后考核分为3部分:

1)出勤率和实验前预习(含预习报告)各占总成绩的10%,共20%；

2)实验操作过程考查,包括实验态度、实验动手能力、综合分析问题和解决实际问题的能力、仪器设备使用的熟悉程度,以及原始数据正确记录,占总成绩的30%；

3)进行数据处理、有关计算及思考题,完成并及时上交实验报告,占总成绩的50%。

课程改革后,对学生能力的评定和考核方式扩大为课前预习、操作技能、动手能力、解决问题能力、实验态度、实验结果和分析报告,老师根据以上方面综合给出成绩,学生普遍反映水处理实验课程成绩非常客观。

5 结束语

验证性、设计性和综合性实验的有机结合,有助于培养学生创新能力、发现问题和解决问题能力和独立思维能力[10-11]。在水量短缺、水质恶化的现阶段,水处理实验作为一门启蒙实践课程,应与时俱进,注重与实际相结合,具有综合设计性和创新性,这样不仅能使学生加深对该专业理论知识的理解,更让学生对本领域的先进技术和前沿知识有所了解。以社会经济发展对应用型人才的需求为导向,培养德才兼备、基础宽厚,具有创新精神和实践能力,经过工程师基本训练且具有解决实际问题能力的应用型人才。