摘要: 为解决《水污染控制工程》课堂教学与实践应用相脱节的问题，在充分利用实验室现有仪器装置的基础上，基于污水性质和水处理技术的前沿问题结合我专业的科研特长，通过查阅资料、设计计算的教学手段与实践教学相结合，设计整理了一套《水污染控制工程》的综合性设计性实验，提高了学生理论联系实践的能力和创新性的培养。
关键词: 实践教学; 改革; 探索
《水污染控制工程》是环境工程专业的一门主干课程［1－3］。学生通过理论课的学习系统掌握各种水处理方法的基本理论、处理方法、工艺特点、适用范围、工艺参数的选择和设计计算方法等［4－5］。但是《水污染控制工程》是一门应用性和实践性都很强的专业主干课。传统的教学方式是教师机械式的将水污染的各种工艺及相应构筑物的结构、原理、适用范围、优缺点等先概念性的讲述，然后再对实验内容、目的、意义进行有针对性的讲解。这种传统的填鸭式教学方法圈框了学生的思维方式，固化了学生的思考方法，定格了学生的行动方向。学生在学习了水污染工艺的基本理论知识后，对各种处理方法不能系统理解和掌握，对各处理设备的功能和构造不能清晰辨别。因此学生在学习了本课程后只对书本上的基础知识有一个轮廓认识，怎样将所学知识应用于系统的工程实践中，一直是环境工程专业教师在教学和实践中探索的课题。为提高学生理论应用于实践的能力，为今后踏入工作岗位打下坚实的实践基础，我校环境工程专业教师通过改进教学方法、充实教学资源、优化教学手段，在提高课堂理论教学质量的基础上，加强实验课程建设。通过开发设计性创新性实验模块，提高学生理论结合实践的能力，增强学生的学习兴趣，让学生对所学的专业知识有更加系统和全面的认识，有利于提升学生的专业素养和创新能力［6－7］。我校环境工程专业已有近 20 年的发展历史，专业设置初期实验室的各项配套都不完善，教学资料也是模仿甚至照搬其他兄弟院校的教学培养方案，没有形成自己本专业的学科特色。初期设置的实验教学项目内容较单一、方法较简单，多为演示型和模拟型实验。但随着科技的发展和技术的创新，一些水处理新技术新方法层出不穷，先前设置的实验内容陈旧，不能再适应当代新工科的教育理念。另外，工程教育专业认证更重视考察学生的工程素养和科研创新能力，在综合学科理论和技术的基础上，必须体现本学科系统设计和实践能力的培养。因此针对我校环境工程专业设置的实验基础性强、实验内容单一，综合性实验占比不高的问题，我院环境工程实验室在购置了一批水处理模型装置的基础上，通过充实《水污染控制工程》的核心内容，结合当代水处理技术前沿，创新性的开设了《环保设备的设计与研发》课程。并在充分调动师生创新学习积极性的基础上，改造和自制了一批水处理实验装置，让学生通过查找各相关学校环境工程专业的综合实验，整合设计了一系列的综合性、设计性实验项目。通过这些实践锻炼，充分让学生将所学知识融会贯通，大大拓宽了学生的知识维度，提升了专业素养，为今后踏入工作岗位提前做好知识储备和积累经验。通过近几年对《水污染控制工程》课程教学方法和实验内容设置的改革与探索，逐步形成和完善了一整套《水污染控制工程》的综合性、设计性和创新性实验。在实验的优化组合过程中，不断地同环境工程认识实习、生产实习、《水污染控制工程》的课程设计及其他专业课的核心内容相结合。同时结合我系环境工程专业的科研研究特色和水污染控制技术的研究热点、学科前沿，总结汇编了一套《水污染控制工程》的实验项目。总体来说，具有以下几个特点。
1 强化对水处理方案的优化组合能力，针对某种特定废水提出最佳设计流程
在总结汇编的实验项目中，包含啤酒废水、含油废水、印染废水和城市生活污水这四类常见污水处理，内容涉及生化性能的好坏，油脂含量的高低，色度及悬浮颗粒物的大小等。针对生化性能好的啤酒废水，属于高浓度有机污染废水，其采用的主要处理多为“厌氧+好氧”组合工艺。但是厌氧工艺的方法很多，如上流式厌氧污泥床( UASB) 、水解酸化池、厌氧折流板等，好氧工艺的方法多为生物滤池、生物接触氧化池、批序式活性污泥法( SBR) 和膜生物反应器( MBR) 等。怎样从众多的工艺方法中优化出啤酒废水最佳的处理工艺，我专业教师通过带领学生到实际啤酒厂参观和进行生产实践，并同环境工程认识实习和生产实习等实践环节相结合，让学生自己设计废水工艺流程，最后确定 UASB+SBR 组合工艺。结合实验室具体情况，组装和试制了一批实验装置，并进行安装和调试( 图 1) 。通过查阅相关资料，根据水质达标要求确定实验的测定项目。水处理设备工艺参数的选择决定水处理效果的好坏。通过让学生参阅文献，自己调节工艺参数，比如设置气水比、进出水流速、水力停留时间等运行参数，通过进行单因素和多因素正交实验，对数据进行极差分析，找到实验装置的最佳运行条件，并通过实验数据和实验现象对工艺流程的原理、结构、运行规律等进行深入分析和探讨。对于生化性能较差的印染废水，根据其色度高、总悬浮颗粒物( ss) 含量高的特点，采用“厌氧+好氧”组合中的水解酸化+生物接触氧化的工艺。通过水解酸化提高印染废水的可生化性，为后面的好氧工艺提供条件。通过在接触氧化池内培养生物膜，降低废水的化学需氧量( COD) 和五日生化需氧量( BOD) 。针对印染废水色度高的特点，有针对性的添加臭氧脱色进行深度处理。为使学生全面掌握环境工程专业各门课程的内容，特地增设与环境微生物有关的实验内容。通过到学校中水站取活性污泥，在生物接触氧化池内进行挂膜培养，在这期间观察微生物菌群的结构和数量，跟踪生物膜的生长情况，全面分析和理解活性污泥法处理污水的方法和基本原理。城市生活污水是现阶段处理的常见废水，不同的城市生活污水其水质和水量都不近相同，COD、氮磷含量相差也较大。怎样在常用的水处理工艺中，组合优化出最佳的工艺流程，在处理成本尽可能小的情况下，做到去除率最高。我专业学生在学习了《水污染控制工程》专业课后，专门到污水处理厂进行为期两周的生产实习。在整个生产实习过程中，每个学生都要跟着厂里的工作人员随着污水处理的流程学习一遍。通过两周的生产实习，学生对整个工艺流程有了更加的全面和具体的认识。对污水处理厂的设计计算、运行参数、应急处理等都能够熟记于心。因此，能够轻车熟路的进行水处理实验装置的自制，设计实验内容、确定实验项目，使他们对本学科的主要内容有了更加全面和清晰的掌握，大大强化了学生的工程实践能力。
2 打破学科“壁垒”，提高多学科交叉融合能力，基于现阶段废水处理的热点难点问题提出创新性解决方案
跨学科性和跨专业性是新工科教育理念的核心内容。新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起，科技创新呈现出新的发展态势和特征，学科交叉融合加速，传统意义上的基础研究、应用研究和技术开发边界日趋模糊，新工科的跨界、交叉与融合，打破了学科之间的“壁垒”，克服了传统工科教育存在的弊端，为支撑国家发展战略输出新型复合型人才。现阶段，垃圾渗滤液是废水处理的热点和难点问题，只靠常规的废水处理工艺难以解决垃圾渗滤液这种高浓高盐废水。这就需要学科交叉和融合来解决这一技术难题。目前垃圾渗滤液有多种处理技术和方法，主要有好氧处理、厌氧处理、化学沉淀、高级氧化技术以及膜分离法等。我专业教师通过积极引导学生进行资料调研和查阅文献，将现阶段先进的研究成果与水处理工艺相融合，研究开发出新的垃圾渗滤液的处理技术和方法。如将新型催化材料用于污水的预处理或深度处理环节;通过添加新型炭基纳米材料来提高污水处理的碳氮比，解决了生化法难以解决的脱氮除磷问题，这些方法都大大缩短了废水处理流程和反应时间。通过将废水处理的研究前沿与多学科的交叉融合，设计一套针对垃圾渗滤液的一体化集成设备，通过设备的设计、计算、安装和调试，大大充实了我实验室的污水处理设备类型。通过工艺的设计计算提高学生数学应用的能力，通过设备的安装调试提高学生解决实际问题的能力。为适应新工科的发展要求，研究多学科领域的新技术和新工艺，使学生突破传统的思维模式，提高了学生跨学科的思维整合能力与多学科的交叉融合能力。
3 通过废旧设备的升级改造，与水处理综合实验相结合，实现了废旧设备的二次利用
我系自成立 20 年来，实验设备不断充实和更新，但是一些十几年前购置的水处理模型因设备老化，不能完成实验任务，逐步处于闲置状态。同时，随着水处理技术的不断提升和创新，传统的水处理方法和装备难以适应新的污水处理条件和达标要求。此外，这些十几年前购置的水处理实验装置不仅接近报废年限，而且也陆续出现设备零部件老化和更换等问题。像先前购置的厌氧折流板、氧化沟、曝气充氧装置、电渗析装置等设备，管路逐渐老化、变脆变硬，线路出现腐蚀现象，水泵气泵等都出现老化问题。因此，通过更换或添加某一特定的模块，实现废旧设备的升级改造，使它们重新发挥作用是目前实验室废旧设备处理处置的最佳途径。例如污水气浮实验装置由于设备老化，结构陈旧难以继续适应现阶段的课程实验要求。先前的曝气方式采用射流曝气，水从射流喷嘴射出，形成负压，空气被粉碎成微小压缩气泡，增大了空气在水中的溶解度。但是随着使用时间的延长，水对喷嘴的腐蚀严重，造成喷嘴孔完全堵塞，最后导致不能出水。我专业教师通过带领学生查阅资料，改造了气浮池的结构。由原来的射流曝气改变为溶气曝气，即先在一定的压力下，使空气压入容器罐。然后根据溶气罐的内部空间分成几段隔层，并在每段隔层内放入填料，溶气罐的水由上部进入，空气由下部进入，这样使水和气在容器罐内充分接触，形成溶气水。生成的溶气水从底部进入气浮池，通过布水系统，使溶气水均匀流动，气泡平均分散［8］。这样，通过对气浮池的改造，使之不仅适用于污水中细小颗粒物的去除，也可用于去除含油废水的处理，使先前气浮池的用途大大增加。针对实验项目中含油废水的工艺设计，有针对性的加入特定的表面离子活性剂，改变了它的油水分配比例。通过气浮池的改进处理，使含油废水的测定指标大大降低，取得了较好的示范效果。
4 总结
通过以上三方面理论与实践的有机结合，使原本单一的实验内容变成了实际水处理设计工程的模拟，把枯燥的理论基础鲜活的呈现于不同的实验装置中，丰富了实验教学形式，同时也做到了废旧设备的技术改造，大大降低了实验的成本。即有理论基础联系实际工艺又突出了当今环境学科的研究前沿，有基础内容，也有提高升华。真正让学生将所学知识融会贯通，厚重了基础实验教学，突出了实践环节的创新性，为高校创新型人才的培养奠定实践应用的基础。
作者：李梦红 李明月 单位：山东理工大学 资源与环境工程学院