创新型综合实验在水处理实验课程中的教学实践*

2023-11-29王文强刘歆瑜王爱丽商书波

云南化工 2023年11期

王文强，刘歆瑜，杨飞，王芳，王爱丽，商书波

(德州学院化学化工学院，山东德州 253023)

目前，工程教育专业认证成为评价高校工科专业水平的新标准，是高校提升人才培养质量的重要举措，全国工科高校都将通过专业认证作为学校发展的重点工作[1，2]。近年来德州学院也在大力推动“新工科”建设和“工程教育专业认证”工作，为增强学生的创新能力，激发学生的创新思维，提升学生工程实践能力，多元化和个性化的培养学生，根据工程教育认证的基本理念设计具有较强的工程实践性、创新性的综合实验，以培养学生的创新意识和工程意识是非常必要的[3]。

水处理实验课程作为水污染控制课程重要的实践环节，对培养和提高学生解决复杂工程问题的能力起着至关重要的作用。传统的实验内容和教学方式已不能适应工程认证的需要，为了提升专业建设水平和人才培养质量，培养更优秀的工程人才，推动工程教育不断进步，对水处理实验进行教学改革，突出培养学生的工程意识，具有重要的意义。本文以吸附/微滤组合工艺处理膜浓缩液实验为研究对象，探讨在工程教育专业认证视角下创新型综合实验的教学实践。

1 实验项目来源

由于生活、生产对水需求量增加，水污染加剧，造成水资源短缺，对废水进行回收利用可以缓解这一问题。膜分离技术，例如微滤/反渗透(纳滤)双模工艺，是主要的实现废水回收利用的途径。利用这种技术在得到清洁出水的同时不可避免的产生大量膜浓缩液，其富集了高浓度的难降解有机物、氨氮、重金属、无机盐及微污染物等，对环境和人体健康具有极大危害，在其排放之前进行达标处理是十分必要的。吸附/微滤组合工艺就是一种有效的处理方法，可以有效去除其中的难降解有机物及毒性较强的痕量微污染物，提高出水的可生化性，为后续的处理提供有利条件。

膜分离技术在水处理领域应用广泛，但大多数高校环境工程专业本科实验教学中，并没有设计膜分离技术相关的实验内容，学生欠缺对膜分离技术的实践知识，有必要开展相应的实验项目补齐知识短板[4]。吸附/微滤组合工艺处理膜浓缩液实验是教师科研向实验教学的移植，任课教师多年担任水处理实验课程教学工作，对膜浓缩液的处理技术也有了一定的研究[5-7]。将相关的研究内容、研究方法进行总结整理，转化为水处理实验课程中的创新型综合实验项目，以教师科研促进实验教学，多角度的培养学生工程实践能力。

2 实验内容及教学方法

2.1 实验教学目标

培养学生发现问题、分析问题能力(通过查阅文献资料，综述膜浓缩液的来源、水质特点、危害性、处理方法研究进展，分析有前景的处理技术)；培养学生解决问题的方案设计能力(应用实验设计方法优化实验条件，提高膜浓缩液处理出水水质，例如正交实验设计，响应面法等)；培养学生实际动手操作能力(水质监测及监测仪器操作，水泵、管道、反应器等组件的连接调试能力)；培养学生的团结协作能力(小组实验，每小组5～6人)。

2.2 实验教学实施

本实验以实验任务书的形式向学生发布实验任务及要求，明确实验目的、实验要求、要完成的实验任务、操作规范及考核评价标准等。提前2周向学生发布实验任务书，并进行必要的说明，给学生足够时间提前进行实验任务书的阅读研究及熟悉实验设备，为实际的实验操作做足准备。

2.2.1 实验目的及任务

较高效的去除膜浓缩液中的难降解有机物，COD去除率应高于60%；提高废水的可生化性，BOD5/COD比值应高于0.3；粉末活性炭(PAC)投加量要小于 1 g/L，并计算吸附剂成本：￥/kg COD。

因为本实验来源于教师的科研，所以对实验过程中一些水质指标可以提出量化的要求，利于实验成绩的考核评价。估算吸附剂成本，是有意识的培养学生的工程思维，以可接受的工程成本解决工程问题。

2.2.2 实验材料及装置

吸附剂：选取工程应用级的商业PAC，贴近工程实际，学生要查阅资料了解此类吸附剂的制备、性质特点、用途、商业价格等。

膜浓缩液：取实际废水回收过程产生的浓缩液或者人工配置，学生要查阅资料了解膜浓缩液的来源、水质特点及危害性；要掌握水质指标pH、电导率、COD、BOD5、色度等测定方法。水质指标的测定由教师提供测试设备，明确测定方法，但具体的测定过程需要学生自行掌握，多数水质指标测定在前期环境监测课程中学习过，在此实验中进一步巩固强化，学生应该具备水质指标自行检测的能力。

实验装置：吸附/微滤组合工艺的运行采用实验室小试规模的实验装置，如图1所示。小试规模的实验装置比烧杯实验更接近工程实际，在培养学生工程实践能力上更加有效。学生需要熟悉实验装置的各个器件的位置、功能及调试方法，需要掌握各个器件的连接方法及顺序，熟悉实验设备的启动、运行、停止程序。要求学生提前熟悉实验设备，并能熟练操作。

图1 吸附/微滤组合工艺实验装置图

实验装置主要有原水箱、加药箱、装有膜组件的反应器及各种泵组成，原水箱为 1 m3的PVC塑料桶，加药箱及反应器用有机玻璃制作，膜组件为U型中空纤维微滤膜，材质为聚偏氟乙烯，膜组件性能指标见表1。

表1 MF膜组件性能指标

运行过程：膜浓缩液通过进水泵加入反应器中；PAC配置成浆液的形式贮存在加药箱中，通过加药泵一次性加入反应器中，加药之前通过搅拌使药液混合均匀；曝气泵在膜组件底端提供连续曝气，对膜表面进行清洗以及混合PAC与浓缩液；循环泵循环PAC与浓缩液的混合液，已达到更好的混合效果，循环泵在每次循环结束之前停止 5.5 min；出水通过膜组件由出水泵抽吸实现，膜组件出水采用负压抽吸，以间歇方式出水，出水 10 min，停 1 min，出水 8 min，停 1 min，出水至低液位；进、出水体积通过高低液位计控制；整个运行过程通过可编程控制器(PLC)自动运行。

每12个循环取出水的混合水样测定UV254、COD和DOC，间隔一定时间测膜比通量(SF)。为了防止PAC在反应器中的累积引起膜组件的浓差极化，每48个循环将反应器中累积的PAC排出大约三分之二。

2.2.3 实验内容

PAC吸附膜浓缩液中的有机物：前期学生已掌握了吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学系列实验，在本实验项目中，学生先自主进行烧杯实验，通过烧杯实验调查清楚PAC吸附有机物的平衡时间、最佳投量，然后扩展到吸附/微滤实验装置上。

有机物表征及去除机理分析：测定UV254、紫外-可见扫描光谱、三维荧光分析不同组分有机物去除机理。紫外-可见扫描光谱、三维荧光分析由于涉及到精密大型仪器操作，这部分由教师实际测定，要求学生能够分析测定结果，探讨不同组分有机物去除机理。

吸附与膜分离的协同作用：分析膜分离对PAC吸附有机物的提效作用，PAC吸附对膜污染的减缓作用。

膜通量测定及膜污染分析：在实验过程中测定膜通量的变化，判断膜污染的情况；分析膜污染的机理。膜污染是微滤膜运行过程中不可避免的问题，原水中的悬浮颗粒和溶解性有机物以及无机物会在膜表面形成滤饼层并且形成浓差极化，部分小分子量的有机物还可能吸附沉积在膜孔内，从而形成不可逆污染。控制膜污染是膜工艺在工程应用中的关键问题，通常通过测定膜比通量(SF)来监控膜的透水性能。SF定义为单位跨膜压力单位膜面积的出水流量，其表达式如下[8]：

(1)

式中SF是膜比通量(L/(m2·h·m H2O))，J0是膜通量(L/m2·h)，T是水温(℃)，TMP是跨膜压力(m水柱)。

采用归一化的SF，即SF/SF0(SF0为新膜的比通量)随着处理水量的变化分析膜污染的程度。

试验结束后，用过的膜先进行物理清洗，即用自来水冲洗膜表面，去除膜表面的泥饼层，之后再进行化学清洗，即用0.1%次氯酸钠和0.3%盐酸分别浸泡 20 h，测其物理清洗和化学清洗后的SF恢复情况。取化学清洗的洗脱液分析沉积在膜表面的污染物的元素组成，将污染物的浓度与化学清洗液的体积相乘再除以试验所用膜的膜面积和处理水量，可以得到处理单位水量单位膜面积上特定污染物的质量，分析膜污染是否可逆及主要污染物质来源的情况。

2.2.4 实验报告要求

每个小组共同完成一份研究型实验报告，格式规范借鉴本校毕业论文的规定，为后期毕业论文的写作打下一定的基础。内容要包含实验目的、实验背景、实验仪器、分析方法、实验结果及分析、实验结论以及主要参考文献等。实验报告中图表要规范，表格使用三线表，图表配有正确的标题、序号，标注参数名称及单位，图表均采用相应的计算机软件制作。实验报告中应包含对实验结果的分析，避免简单的罗列数据和对数据的表面描述，实验报告后附实验小组成员实验贡献及得分。

3 实验考核与评价

实验成绩主要由教师打分与实验小组打分组成，各占50%，教师打分主要依据小组整体实验任务完成情况，即COD去除率、BOD5/COD比值、吸附剂成本等实验数据与目标值比对情况，实验报告内容完整度、格式规范度等；小组打分主要依据实验小组成员对完成本实验的贡献情况，相当于过程性考核，小组成员比教师更能准确的了解实验过程中每个人的贡献，打分更合理，同时为了避免各个小组之间和各个小组内成员之间分值过于极化，规定小组成员分值在70～90分之间，要体现出差异化，反应每个人的实际贡献大小，打分方法由小组长自行组织实施。