计算机仿真在环境工程实践教学中应用

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1、计算机仿真在环境工程实践教学中应用　　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。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-）

2、，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）05-0186-028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

3、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

4、]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8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Mathemati

5、ca、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。

6、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8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

7、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

8、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