王文琴，樊 娟，張盛楠，王淑靜

(天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 建筑工程系,天津 靜海區(qū) 301636)

“水處理實(shí)驗(yàn)”是給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的必修課,是給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)水處理教學(xué)的主要內(nèi)容之一,是培養(yǎng)給水排水工程高級(jí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才必要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)及專(zhuān)業(yè)基本技能的重要基礎(chǔ)。目前,關(guān)于水處理課程改革方面的研究已取得不少進(jìn)展[1-4]。然而,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已很難滿(mǎn)足對(duì)當(dāng)前大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要[5-9]。

1 原水處理實(shí)驗(yàn)課程情況

天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院水處理實(shí)驗(yàn)課程總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí),共計(jì)2學(xué)分。其中包括9個(gè)實(shí)驗(yàn),有混凝、過(guò)濾、活性炭吸附、離子除鹽的給水類(lèi)實(shí)驗(yàn)；有顆粒自由沉淀、曝氣充氧、活性污泥指數(shù)測(cè)定的污水類(lèi)實(shí)驗(yàn)；還有芬頓實(shí)驗(yàn)、加壓溶氣氣浮的工業(yè)廢水處理類(lèi)實(shí)驗(yàn)。雖然實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多,但是基本都是驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn),本課程急需增加設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有一定的局限性。

另外,本課程是純實(shí)驗(yàn)課程,如何改革成績(jī)考核和評(píng)定方式,客觀、恰當(dāng)、真實(shí)地反應(yīng)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況也是個(gè)瓶頸問(wèn)題。學(xué)校水處理實(shí)驗(yàn)課程原采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作情況相結(jié)合的考核方式,實(shí)驗(yàn)報(bào)告占總成績(jī)80%,平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作情況占總成績(jī)20%。這種考核方式難以保證學(xué)生很好地完成實(shí)驗(yàn),其創(chuàng)新能力也得不到鍛煉。為了使學(xué)生能夠牢固地掌握操作方法和要點(diǎn),還要從預(yù)習(xí)情況、操作能力、實(shí)驗(yàn)態(tài)度和數(shù)據(jù)分析等多方面來(lái)整體衡量。

2 課程改革主要措施

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

在設(shè)置驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也要設(shè)置一定數(shù)量的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)學(xué)校學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專(zhuān)業(yè)學(xué)識(shí)水平,適當(dāng)增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟,經(jīng)教師審核后自行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材,各組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn),最后在多媒體上展示自己的研究成果。

根據(jù)學(xué)校學(xué)生的實(shí)際情況,本文特以水處理實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)(混凝實(shí)驗(yàn))作為改革對(duì)象,要求學(xué)生根據(jù)混凝實(shí)驗(yàn)基本原理與理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的擬定,包括獨(dú)立設(shè)計(jì)水樣選擇、混凝劑選擇、最佳投藥量選擇、最佳水力條件等其他混凝效果因素影響分析、工藝選擇等內(nèi)容。指導(dǎo)教師提前幾周布置實(shí)驗(yàn)任務(wù),講述實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng),并把不同課題按照難易程度分類(lèi),學(xué)生分組后可根據(jù)自己情況進(jìn)行選擇,并獨(dú)立進(jìn)行儀器設(shè)備的準(zhǔn)備和混凝劑的制備等。指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行檢查,證明其可行性后再準(zhǔn)予學(xué)生開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革將大大提高學(xué)生的自主、創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力,為今后開(kāi)展更多的設(shè)計(jì)性、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)方式改革

多媒體演示教學(xué)能夠在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、檢測(cè)設(shè)備的認(rèn)知和使用方法等方面發(fā)揮其直觀性、圖文并茂、信息量大等優(yōu)勢(shì)。由于水處理實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐性質(zhì)非常強(qiáng),傳統(tǒng)課堂講授與現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方法能夠顯著提高學(xué)生的興趣和互動(dòng)性,但是仍不能達(dá)到實(shí)現(xiàn)該課程教學(xué)目標(biāo)的要求。如果在學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加多媒體環(huán)節(jié),可以在實(shí)驗(yàn)課程中通過(guò)多媒體讓大家回顧實(shí)驗(yàn)所需的理論知識(shí),還能播放實(shí)驗(yàn)視頻作為輔助教學(xué)手段,這樣不僅能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還能減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不必要的體力勞動(dòng)。

2.3 考核方式改革

考核方式不僅要能有效地反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)掌握的程度,也要成為激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)過(guò)程的有效手段。以前的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核基本以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主,改革后將把考核的內(nèi)容和范圍擴(kuò)大為課前預(yù)習(xí)、操作技能、動(dòng)手能力、解決問(wèn)題能力、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析報(bào)告等。即實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過(guò)程之中,對(duì)學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總體評(píng)價(jià),通過(guò)改進(jìn)考核方法,可以調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性,提升學(xué)生解決問(wèn)題能力和動(dòng)手能力,而且還能提高實(shí)驗(yàn)的正確性,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)整體水平的發(fā)展。此外,對(duì)學(xué)生的考勤、衛(wèi)生工作也需要進(jìn)行量化考核,這不僅可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。

3 課程改革成果

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

“水處理實(shí)驗(yàn)”課程針對(duì)混凝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了變革。該實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),如表1所示。學(xué)生可從方案中自由選擇實(shí)驗(yàn)方案,亦可創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。每組成員需明確各自分工,合作完成實(shí)驗(yàn)整個(gè)流程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

表1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目

3.2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果展示

3.2.1 不同混凝劑對(duì)混凝效果影響

向水中投加的能使水中膠體顆粒脫穩(wěn)的高價(jià)電解質(zhì),稱(chēng)之為 “混凝劑”?；炷齽┛煞譃闊o(wú)機(jī)鹽混凝劑和高分子混凝劑。水處理中常用的混凝劑有三氯化鐵、硫酸鋁、聚合氯化鋁等,實(shí)驗(yàn)中學(xué)生對(duì)幾種常用的混凝劑對(duì)混凝效果的影響進(jìn)行了分析。

在原水濁度為19.6,溫度為21℃,pH值為8的情況下,硫酸鋁的最佳投藥量為10 mg,聚合氯化鋁的最佳投藥量為6 mg,三氯化鐵的最佳投藥量為3 mg。結(jié)果表明,在相同水質(zhì)且鐵鹽相同的條件下,鐵鹽投加量要低于鋁鹽,聚合鋁投加量又會(huì)低于硫酸鋁。三氯化鐵去濁率效果要大大優(yōu)于鋁鹽。

3.2.2 助凝劑對(duì)混凝效果影響

結(jié)果表明,AC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑處理后,絮體的沉降性能優(yōu)于PAC單獨(dú)投加,但復(fù)合混凝劑的投加量受到PDMDAAC投加量的影響,通過(guò)絮凝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在復(fù)合比例為1%時(shí),混凝效果最佳。當(dāng)PDMDAAC的量再增多時(shí),會(huì)使混凝效果下降。

3.2.3 混凝劑投加方式對(duì)混凝效果影響

混凝劑的投加方式一般分為干投和濕投兩種。

1)干投投加把藥劑直接放到被處理的水中；

2)濕投投加先把藥劑配成一定濃度的溶液,再投加污水中。通過(guò)文獻(xiàn)可得知最佳投藥量,并且在水溫、pH、水質(zhì)、水力條件相同的情況下,將兩種投加方式作為單一變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)觀察礬花的形成和得出的結(jié)果,最終分析兩種投加方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 不同投加方式的礬花圖

如圖1所示,左邊三個(gè)均為干投投加混凝劑,礬花的總量要略微低于右邊通過(guò)濕投投加混凝劑的礬花總量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn),左邊干投的礬花的平均大小要小于右邊濕投混凝劑的礬花大小。在其他因素一定,根據(jù)觀察礬花形成定性分析和測(cè)濁度的定量分析,最終得出濕投比干投效果好。

3.2.4 不同水力條件對(duì)混凝效果影響

水力條件對(duì)混凝效果的影響是很大的,水中投加混凝劑后,膠體顆粒發(fā)生聚凝而脫穩(wěn)之后相互聚集,逐漸變成較大的絮凝體,最后長(zhǎng)大至能發(fā)生自然沉淀的過(guò)程,在此過(guò)程中必須嚴(yán)格控制水流的混合條件。

混合和反應(yīng)需要消耗能量,速度梯度G值能反映單位時(shí)間單位體積水消耗能量的大小,通過(guò)控制速度梯度G來(lái)控制混合和反應(yīng)的條件。一般情況,混合階段的G值應(yīng)大于300～500/s,時(shí)間不超過(guò)30 s,G值越大混合時(shí)間越短,以保證快速均勻混合。反應(yīng)階段的G值平均為20～70/s,時(shí)間為15～30 min,隨著礬花逐漸增大,G值宜逐漸降低,在實(shí)際設(shè)計(jì)中反應(yīng)階段G值,開(kāi)始時(shí)可采用100/s左右,結(jié)束時(shí)采用10/s左右。

學(xué)生采用正交實(shí)驗(yàn)法,對(duì)不同水力條件進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)得到最佳水力條件。結(jié)果表明,最佳水力條件為T(mén)1＝1 min,n＝300 r/min；T2＝2 min,n＝150 r/min；T3＝3 min,n＝60 r/min。 最后通過(guò)驗(yàn)證其不同轉(zhuǎn)速下的G和GT值,均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.5 不同pH對(duì)混凝效果影響

pH值過(guò)低(小于4)則所投混凝劑的水解受到限制,其主要產(chǎn)物中沒(méi)有足夠的羥基進(jìn)行橋聯(lián)作用,也就不容易生成高分子物質(zhì),絮凝作用較差；如果pH值過(guò)高(大于9),又會(huì)出現(xiàn)溶解產(chǎn)生帶負(fù)電荷的配合離子而不能很好地發(fā)揮混凝作用的情況。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生對(duì)pH對(duì)三氯化鐵混凝效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:當(dāng)pH值在8附近時(shí),混凝效果最佳；當(dāng)原水的pH值在6.5～9.5之間時(shí),1%三氯化鐵的混凝效果較好。

3.2.6 混凝與其他工藝共同處理微污染源水分析

1)混凝與活性炭吸附工藝。

實(shí)驗(yàn)先通過(guò)單因素試驗(yàn),了解單因素的影響狀況,了解其作用顯著的范圍,確定一個(gè)因素范圍,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多因素的正交試驗(yàn)得到最優(yōu)組合。測(cè)定指標(biāo)選取UV254,它是衡量水中有機(jī)物指標(biāo)的一項(xiàng)重要控制參數(shù),在國(guó)外經(jīng)過(guò)近二十年的不斷研究,已被水處理研究和管理人員普遍接受和使用[12]。

根據(jù)已定的因素、水平及選用的正交表,共需組織9次實(shí)驗(yàn),每次具體實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 微污染水處理正交實(shí)驗(yàn)方案表L 9(3 4)

結(jié)果表明,單純的處理工藝盡管能降低濁度,但去除不理想。優(yōu)化的混凝-粉末活性炭工藝,在粉末活性炭和FeCl3投加量分別為0.02 g/100 mL和10 g/L的條件下,并且在pH值為5.5,反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí),去除濁度的效果最好。

2)混凝與氣浮工藝。

通過(guò)單一的氣浮工藝和混凝氣浮結(jié)合工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究?jī)煞N工藝對(duì)微污染源水處理效果,本實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了實(shí)驗(yàn)前后濁度、pH和溶解氧三個(gè)指標(biāo)。結(jié)果表明:通過(guò)單一氣浮裝置可明顯降低水質(zhì)濁度,濁度去除率達(dá)74.8%；第二次試驗(yàn)加入混凝劑PAC后,采用混凝和氣浮工藝組合,使?jié)岫热コ蔬_(dá)到85.1%,濁度去除效果更加顯著。單一氣浮工藝出水pH與原水基本保持一致；組合工藝因投加高分子混凝劑,由于混凝劑的水解反應(yīng),其出水的pH有小幅度降低。兩種工藝出水的溶解氧都有小幅度增加,這主要是氣浮實(shí)驗(yàn)中存在加壓溶氣的特點(diǎn)導(dǎo)致。

4 考核方式改革成果

本實(shí)驗(yàn)課程改革后考核分為3部分:

1)出勤率和實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)(含預(yù)習(xí)報(bào)告)各占總成績(jī)的10%,共20%；

2)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程考查,包括實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、綜合分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、儀器設(shè)備使用的熟悉程度,以及原始數(shù)據(jù)正確記錄,占總成績(jī)的30%；

3)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、有關(guān)計(jì)算及思考題,完成并及時(shí)上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,占總成績(jī)的50%。

課程改革后,對(duì)學(xué)生能力的評(píng)定和考核方式擴(kuò)大為課前預(yù)習(xí)、操作技能、動(dòng)手能力、解決問(wèn)題能力、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析報(bào)告,老師根據(jù)以上方面綜合給出成績(jī),學(xué)生普遍反映水處理實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)非?？陀^。

5 結(jié)束語(yǔ)

驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合,有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題能力和獨(dú)立思維能力[10-11]。在水量短缺、水質(zhì)惡化的現(xiàn)階段,水處理實(shí)驗(yàn)作為一門(mén)啟蒙實(shí)踐課程,應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),注重與實(shí)際相結(jié)合,具有綜合設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性,這樣不僅能使學(xué)生加深對(duì)該專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的理解,更讓學(xué)生對(duì)本領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和前沿知識(shí)有所了解。以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)應(yīng)用型人才的需求為導(dǎo)向,培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、基礎(chǔ)寬厚,具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,經(jīng)過(guò)工程師基本訓(xùn)練且具有解決實(shí)際問(wèn)題能力的應(yīng)用型人才。