楊瑾 劉慧龍

【摘要】學生自主設計實驗方案是一種新型開放式的教學方式。通過自行設計實驗、完成實驗，學生可以鍛煉自主學習思考能力并且提高對實驗的積極性，進而提高自身綜合素質。同時，通過對校園污水的分布及成分進行調查，研究出具體的污水治理方案，為污水治理決策提供建設性處理方案。

【關鍵詞】學生自主實驗 方案設計 污水處理

【基金項目】1.武漢大學實驗技術項目：電氣浮-絮凝及電氧化還原實驗系統(tǒng)研制（項目編號：600400009）；2.武漢大學2017年開放試驗項目。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）02-0176-02

引言

許多高?，F(xiàn)在的本科生實驗都是由老師提供實驗指導書，依照既定的實驗方案按部就班地完成實驗，就能得到不錯實驗結果和成績。很少有學生在經(jīng)過這樣的實驗之后會反思實驗中的問題及這樣處理實驗的原因，大多數(shù)人都是沒有激情地完成實驗、得到數(shù)據(jù)、交上報告，然后將之拋之腦后。這種方式難以激發(fā)學生學習的興趣，更談不上培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。

以學生為主體的校園污水處理工藝方案設計及動態(tài)模擬實驗是由學生自主開展的一項實驗。實地調查、前期準備、方案設計、運行操作等都由學生自主獨立完成，教師只起輔導協(xié)助作用。成員由環(huán)境科學與工程專業(yè)的高年級學生為主，同時也有各年級各專業(yè)的環(huán)保愛好者積極參與，帶動了在校學生對身邊環(huán)境的更多關注。由于武漢高校的區(qū)域性集中的特點，使得武漢大學校園污水處理工藝方案設計及動態(tài)模擬實驗更具有學習和借鑒的意義。每個大學人數(shù)眾多，生活污水排放量很大，本次模擬實驗對各個大學的校園污水處理以及學生實驗設計都有一定的幫助。

1.學生自主實驗

1.1自主實驗形式

學生自主實驗可以分為三個環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)是在開始實驗之前，在這個階段，首先成立實驗探究小組，組織各年級對實驗感興趣的同學，分成實驗小組收集資料，了解實驗條件，運用所學的理論知識初步設計實驗方案，經(jīng)探究小組討論修改，請老師審核認可后，確定最終的實驗方案；第二環(huán)節(jié)是實驗室實驗，我們按照設計的實驗方案開始實驗，在具體的實驗過程中逐步完善某些細節(jié)性的實驗步驟；第三環(huán)節(jié)是實驗環(huán)節(jié)結束后，是實驗總結部分，即撰寫實驗報告。由學生自己總結實驗中出現(xiàn)的問題，分析實驗結果，并針對自己設計的實驗提出一些建議和想法。

1.2學生自主實驗與傳統(tǒng)實驗對比

大多數(shù)高等院校的實驗教學都是由老師主導，學生在其中起的作用和收獲都極為有限，在任課教師講述實驗原理和注意事項后，讓學生根據(jù)既定的實驗方案和步驟完成實驗。雖然，這種方法在一定程度上提高了學生的動手能力和對儀器的了解，但是它極大的限制了學生自主創(chuàng)新和自由發(fā)散的思維，對高素質人才的培養(yǎng)的幫助很少。

學生自主實驗與傳統(tǒng)教學實驗不同，在實驗中起主導因素的是我們學生，影響實驗流程與結果的是學生的思維，有更多收獲的也是學生自身。在第一環(huán)節(jié)設計實驗中，收集資料可以鍛煉同學們的信息收集和提煉能力，提高自主學習的能力，設計實驗方案的過程中，同學們可以加深對理論知識的理解并將其運用到實際的實驗中，加深對實驗的理解，強化獨立思考進而科學地解決問題的能力。在第二環(huán)節(jié)做實驗的過程中，通過對試驗方案的反復修改完善，增強了同學們溝通交流和團隊協(xié)作的能力，也讓同學們對實驗儀器及操作方式更加熟悉，鍛煉了動手能力，對突發(fā)狀況的解決和思考同樣會讓同學們收獲良多。在第三環(huán)節(jié)撰寫實驗報告的過程中，同學們處理數(shù)據(jù)，反思總結的能力得到了很大提升，這個過程讓學生再一次鞏固所學的知識，總結實驗過程中經(jīng)驗教訓，無論是設計的不完善還是操作的疏忽，都可以幫助同學們學習分析問題解決問題的方法進而形成自己的思維方式。

2.校園污水調查與處理工藝研究

2.1目的

（1）通過實驗的實地考察，得到校園水質污染的分布及處理情況，根據(jù)污水的來源及成分，提出具體解決和治理方案，為污水處理決策提供建設性建議；（2）通過設計實驗，使學生能夠了解和掌握一定的污水處理工藝的知識，讓更多的人關心環(huán)境保護；（3）通過本次開放實驗，讓學生學會自主設計設計實驗方案，積累經(jīng)驗，為之后的畢業(yè)設計和往后的實踐工作奠定堅實的基礎。

2.2實驗設計及分工

2.3污水處理

本開放實驗選取活性污泥法中經(jīng)典生物處理方法，對校園食堂污水進行處理。活性污泥是由具有活性和良好的凈化污水功能的微生物及其自身代謝的殘留物組成的絮狀污泥，包括吸附在絮狀污泥上的不可生物降解的有機物和無機物。

2.3.1實驗裝置：

原水槽（盛放原水）、鋼化玻璃材質的酸化池、曝氣池、機械絮凝池、豎流式沉淀池、小水槽（出水）、橡皮軟管若干、小型水泵兩個、流量計一個。

按處理流程中給出的流程圖組裝系統(tǒng)，原水槽通過軟管連接至酸化池。酸化池中流出的污水經(jīng)過橡皮軟管進入連有真空泵的曝氣池，再通過軟管進入連有水泵的機械絮凝池，隨后進入豎流式沉淀池沉淀雜質，最終通過小水槽流出檢驗水質。

本裝置各構件容量為：原水槽50L，酸化池8L，曝氣池、絮凝池、沉淀池、小水池等均是3L。

2.3.2處理流程：

按照流程圖組裝實驗系統(tǒng)，先用清水進行試驗，檢查裝置拼接是否正確，檢驗實驗系統(tǒng)有無漏水現(xiàn)象，若有紕漏及時做出調整。待實驗系統(tǒng)確認無誤，往酸化池、曝氣池中分別加入適量的活性污泥，并逐漸提高大水槽中原水比例，最終達到100%。此舉是對活性污泥進行馴化，使微生物逐漸適應新的生活條件，逐步達到對食堂廢水所要求的滿負荷及很高的處理效率。馴化過程中，能適應新條件的微生物得到發(fā)展，不能適應的微生物被逐漸淘汰。馴化過程中應根據(jù)微生物需要加入養(yǎng)料。為了縮短培養(yǎng)馴化時間，可將培養(yǎng)、馴化兩階段合并起來進行。根據(jù)實驗條件，剛開始運行速度0.2L/h，逐漸減小到0.1L/h。待系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，分別取運行3、5、10天后的出水作為測試樣品，檢測各項指標。

（1）酸化池水解酸化處理：主要將其中難生物降解的有機物轉變?yōu)橐咨锝到獾挠袡C物，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧處理。水解酸化工藝根據(jù)產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應時間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細菌、酸化菌作用下將不溶性有機物水解為溶解性有機物，將難生物降解的大分子物質轉化為易生物降解的小分子物質的過程，從而改善廢水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基礎。（2）曝氣池好氧處理：曝氣池利用活性污泥法進行污水處理，池內提供一定污水停留時間，滿足好氧微生物所需要的氧量以及污水與活性污泥充分接觸的混合條件。采用鼓風曝氣。（3）機械絮凝池：通過機械攪拌創(chuàng)造適宜的水力條件，使具有絮凝性能的顆粒在相互接觸中聚集，以形成較大的絮凝體，適當投加絮凝劑。（4）豎流式沉淀池：水由設在池中心的進水管自上而下進入池內，管下設傘形擋板使廢水在池中均勻分布后沿整個過水斷面緩慢上升，懸浮物沉降進入池底錐形沉泥斗中，澄清水從池四周沿周邊溢流堰流出。（5）出水，進行相關檢測實驗。（6）系統(tǒng)采用持續(xù)不間斷運行，處理污水流量15ml/h，連續(xù)運行5周，每周對進、出水水質檢測一次，每周對曝氣池中的活性污泥進行生物相鏡檢。

2.4測試方法及儀器

本實驗檢測原水和出水pH、濁度、COD、BOD及曝曝所池中生物相。

2.5測試結果

2.6結果討論

從以上的實驗數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)運行3天后的污水COD、濁度、BOD5與原水相比顯著降低，pH無顯著變化甚至略有上升，水質有很大改善，通過與《國家污水綜合排放標準（GB8978

-2002）》對比可看出，原水中COD、BOD5均超過排放標準，不能直接排放，而處理三天或五天后的廢水所有數(shù)據(jù)均達到排放標準，可直接排放。通過曝氣池中生物相檢測也可以看出，處理系統(tǒng)運行正常有效，通過前一步酸化池處理后，曝氣池中微生物種類和數(shù)量表明，這一步中的水質為輕度污染水質，水質有了相當程度的改善。這證明了系統(tǒng)對于校園污水凈化處理有相當?shù)男Ч幚砗蟮奈鬯梢灾苯优欧拧?/p>

3.存在的問題及注意事項

（1）本實驗所選取的采樣點過少。由于時間等因素的影響，本次實驗僅選取了兩個典型的代表點進行實驗，樣本數(shù)較少會對實驗最終的結果分析以及處理結果產(chǎn)生影響。（2）存在操作及儀器誤差。由于開放性實驗參加的本科生有部分非環(huán)境專業(yè)且低年級學生，很可能會有操作誤差，影響準確性。如COD檢測中，曾出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，經(jīng)大家多次重復實驗與分析，原因是水樣稀釋不均勻。測定BOD5中，處理10天后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了誤差，稀釋水使用前應充分曝氣達到溶解氧飽和，確保水樣在5天的培養(yǎng)中有足夠富余的溶解氧。（3）樣品數(shù)據(jù)測量不及時。實驗采樣時條件所限未能及時的測量原樣品中的相關指標，而且忽略了取樣過程中的環(huán)境影響，會對樣品數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

結語

作為一次開放性實驗，本次實驗是有一定成效的。雖然不能說達到了所有的目的，但最關鍵是我們調動了參與開放實驗的同學們的熱情，通過參與此次開放實驗證明了我們對環(huán)境事業(yè)的關心不只停留在口號上。我們基本達成了“讓學生了解和掌握一定的污水處理工藝的知識，讓更多的人關心環(huán)境保護”和“通過本次開放實驗，學會自主設計設計實驗方案，積累經(jīng)驗，為之后的畢業(yè)設計和往后的實踐工作奠定堅實的基礎”這兩點目的。此次開放實驗，收獲良多，但暴露出的問題也有很多。環(huán)境工程實驗對專業(yè)素質要求較強，即使我們做了一定準備，但到最后落到全體的實際操作，發(fā)現(xiàn)還是有很多紕漏。希望這次自主實驗對以后的實驗有所幫助，避免重蹈覆轍。

經(jīng)過本次學生自主實驗，同學們不僅鞏固了自己的專業(yè)知識、提升了自己的專業(yè)能力，也為校園污水處理做出了自己的貢獻。學生自主實驗有助于增強學生的自主思考及實驗能力，讓同學們在實踐中拓展思路，加深對理論知識的理解與運用。本次實驗也分享了許多自主設計過程中的困難與疏忽，希望對以后學生自主實驗教學有所幫助。

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作者簡介：

楊瑾（1997-），女，漢族，湖北孝感人，武漢大學資源與環(huán)境科學學院本科在讀，專業(yè)：環(huán)境工程。

劉慧龍（1966-），男，漢族，湖南湘鄉(xiāng)人，本科，高級實驗師，研究方向：環(huán)境科學與工程。