2021年，是我国“十四”五开局之年，年初国务院编制了《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景刚要（草案）》，明确提出推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，加快发展方式绿色转型，协同推进经济高质量发展和生态环境高水平保护的主要任务。“绿水青山”需要我们去维持和保护；持续改善环境质量需要环境专业的人才去承担重任。

我校环境工程专业本着立足地方、面向行业、依托政府和企业、服务长三角洲的原则，以环境保护为根本，以培养高水平应用型环保人才为宗旨，从水、气、固废、土壤治理和修复方向入手，不断修订专业培养方案，完善课程教学大纲。其中，《水污染控制工程》课程始终作为环境工程专业的专业核心课程，从我校成立环境工程专业以来，开设至今，本课程在教学过程中不断在教学理念、教学方法、教学手段及评价手段上实施创新改革，坚持“学生为本”，从精品课程的建设到案例式教学方法的引入，从团队授课到线上线下混合式教学，不断提升和改进教学手段和方法，从2019年开始，团队针对环境工程设备多且庞大、学生对设备认知局限于外观，实验中多采用模型及玻璃器皿模拟，未能达到应用型人才培养的目的，故尝试开展线上线下相结合的实验教学方式，开始建设独具特色的“水污染控制工程”厌氧反应器虚拟仿真实验教学项目，结合线下实际案例与虚拟场景相结合、现场实景虚拟仿真与实验仿真相结合、授课内容与实验课程思政相结合的方式，大大提高了课程教学效果。

2. 项目建设必要性

目前，各高校IC反应器废水处理实体实验难以在实验室开展，主要原因如下：

（1）畜禽养殖废水厌氧处理流程复杂、耗时长

由于养殖场废水水质的复杂性，单纯使用厌氧工艺的并不多，即使有也是极小规模的利用，如小型水压式沼气池，而在规模化养殖场采用的处理工艺中，废水厌氧处理是以处理单元出现的。其中，废水厌氧处理过程是一个包含多个生物转化和物理化学转化的复杂过程，特别是产甲烷菌对环境条件要求比较苛刻。废水厌氧处理系统操作控制因素较为复杂，稳定运行前的启动过程一般需要1～2个月的时间，且出水往往达不到排放标准，需要进一步处理。

（2）系统庞大、实验环境恶劣

废水中污染物复杂，包括有机物和无机物，也可以认为包括漂浮物、悬浮物、胶体以及溶解性污染物。畜禽养殖废水含有较高的COD_Cr（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）、氨氮、重金属、残留的兽药和大量的病原体，成分复杂。废水厌氧处理系统需要针对上述各类物质，包括物理、生物的处理单元，系统庞大。小型的IC反应器的高径比（H/D）一般为4～8，高度在15～20 m，而大型的IC反应器高度一般在20～25 m。生物处理实验单元采用活性污泥，反应过程中产生大量的NH₃（氨气）、H₂S（硫化氢）等恶臭气体，实验环境较为恶劣。

（3）存在潜在安全风险

利用厌氧性微生物的代谢特性，在无需提供外源能量的条件下，以污水中被还原有机物作为受氢体，降解有机物的同时产生沼气（含CH₄（甲烷）、CO₂（二氧化碳）、N₂（氮气）、H₂（氢气）、NH₃、H₂S等气态物质），消化过程产生的沼气是可燃易爆气体，爆炸极限的实验值为5%～15%，如果厌氧处理系统存在沼气泄露，在一定范围内遇明火（静电和火星）即可发生爆炸，因此，存在潜在安全风险。

（4）生物反应器内部过程不可视，运行不能通过实验重现

生物反应器一般为集成设备，外部包裹保温层。根据处理水量的不同，其大小不同。但是IC反应器系统庞大，一般实验室难以搭建有效的IC反应器或只能作为演示性实验设备。另外，生物处理过程复杂，影响因素众多，一般难以重现。

3. 实验的实用性、合理性及先进性

（1）高浓度有机废水处理是环境类专业的重要理论教学内容

工业企业如印染，焦化，造纸等行业产生大量高浓度有机废水，其中含有各种有机物，有相当一部分具有有毒有害且难降解的特点，如不妥善处理将导致严重环境污染。高效厌氧生物处理废水水环境保护的重要手段，也是2015年国务院颁发的《水污染防治行动计划》的要求。环境工程、环境科学水质科学与技术等相关专业课程将这类废水的处理作为案例进行讲解。

（2）废水厌氧处理实验是环境类专业重要实践教学内容

废水厌氧处理实验是农业资源与环境、环境工程、环境科学等相关专业的重要教学内容。本专业《水污染控制工程》课内实验将“厌氧废水处理”设计为必做综合性实验。本实验教学内容有利于培养学生工程伦理思想，培养其社会责任感和专业自豪感，也有利于培养学生的工程实践能力。

（3）高浓度有机废水厌氧处理虚拟仿真实验适于开放共享

项目组曾承担 “太湖上游地区规模化畜禽养殖废水资源化利用方案”研究项目，畜禽养殖废水为一类非常典型的高浓度有机废水，该项目研究对不同规模的养殖废水处理提出了因地制宜的处理方案。项目方案得到专家、环保和农业部门的肯定，符合国家环保政策和畜禽养殖废弃物资源化利用的要求。厌氧处理为生物处理技术，无二次污染，为规模化畜禽养殖废水必不可少的处理技术，在高浓度工业废水处理中亦有广泛应用。无动力第三代反应器—IC（Internal Circulation，内循环）反应器为目前废水厌氧处理的主流反应器之一，本实验内容有广泛的社会需求，可面向社会不同主体的学习或培训需求开放共享。

3. 先进性

为方便学生进行综合项目设计、虚拟仿真实验在线操作，成绩评定等，环境工程实验中心采用当前主流的Unity3D作为3D引擎，采用C语言并通过Visual Studio工具进行程序开发，通过SVN，Microsoft Project 等工具，采用C/S 架构和项目管理，通过3D Studio Max以及Maya等工具制作仿真道具展示，有助于提高系统访问并发数和访问速率，有益于人机互动，用户管理和系统升级等。

本项目依托于《水污染控制工程》课程，借助3D（3 Dimensions，三维）可视化技术，开发了高浓度有机废水厌氧处理虚拟仿真实验系统。

（1）通过讨论，评估，反馈，引导学生深入学习废水厌氧处理原理及流程；

（2）通过人-机交互，使学生身临其境，掌握厌氧反应设备结构及原理；

（3）通过虚拟现实技术，配合动画和视频，使学生掌握IC反应器运行参数控制；

（4）以颗粒污泥培养、运行和故障排除为导向，培养学生发现问题，分析问题和解决问题的能力。

高浓度有机废水特点：1）有机物浓度高。COD_Cr一般在2000 mg/L以上，有的甚至高达几万乃至几十万mg/L，相对而言，BOD₅（biochemical oxygen demand，生化需氧量）较低，很多废水BOD₅与COD_Cr的比值小于0.3）成分复杂。含有毒性物质废水中有机物以芳香族化合物和杂环化合物居多，还多含有硫化物、氮化物、重金属和有毒有机物。3）色度高，有异味。超高浓度有机废水中含有大量有毒有机物，会在水体、土壤等自然环境中不断累积、储存，最后进入人体，危害人体健康。

高浓度有机废水处理技术一般需要多种处理技术的结合。从治理技术来看，要实现去除COD_Cr、BOD₅的同时，再实现脱氮除磷的效果，因此，厌氧工艺是不可或缺的。

厌氧生物处理技术即在厌氧状态下，污水中的有机物被厌氧细菌分解、代谢、消化，使得污水中的有机物含量大幅减少，同时产生沼气的一种高效的污水处理方式。厌氧处理作为生物处理的一个重要形式，正在陆续地开发出一系列新的厌氧处理工艺和构筑物，逐步克服了传统厌氧工艺的缺点，在理论和实践上取得了很大的进步。

图1 厌氧消化的三个阶段和COD变化图

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。因而粗略地将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：水解阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段（图1）。

目前，在实际工作用常用的厌氧反应设备有：完全混合厌氧反应器（CSTR，）、厌氧生物滤池、厌氧接触反应器、升流式厌氧污泥床反应器、厌氧流化床反应器、厌氧膨胀床反应器、厌氧生物转盘、厌氧折流板反应器以及厌氧内循环反应器（internal circulation，又称IC反应器）。

IC反应器是基于UASB（上流式厌氧污泥床反应器）反应器颗粒化和三相分离器的概念而改进的新型反应器，可看成是由两个UASB反应器的单元相互重叠而成。它的特点是在一个高的反应器内将沼气的分离分成两个阶段。底部阶段处于极端的高负荷，上部阶段处于低负荷。其优点为：容积负荷高、占地面积小、抗冲击负荷能力强、内部自动循环，不必设泵强制循环，节省了动力消耗、启动周期短等。

本仿真实验的IC反应器工作过程：

废水从进水口进入经布水器均匀布水流至第一厌氧反应区，IC反应器较大的高径比使其具有较大的上升流速，使颗粒污泥床处于流化状态，此时固-液接触充分，污水中大部分的有机物在此被厌氧消化产生沼气，少部分有机物进入第二厌氧反应区继续厌氧消化并产生沼气。两个厌氧反应区中所产生的沼气分别被第一、第二三相分离器收集，沼气产生的升力可带动气液混合物进入提升管，到达气液分离室后由于密度差产生气液分离，沼气从出气口排出，此时液体密度增大，在密度差与重力的作用下经回流管回流至第一厌氧反应区，经布水器导流与进水混合继续上升实现内循环。

知识点：共 8 个

1）了解废水厌氧处理相关知识

2）掌握IC反应器内部主要结构

3）掌握厌氧活性污泥生长的影响因素

4）掌握厌氧颗粒污泥培养过程

5）学会IC反应器设计与设备启动

6）了解进水主要水质指标对IC反应器运行的影响

7）学会IC反应器主要故障处理

8）了解厌氧反应设备在运行过程中存在的主要安全隐患点

（1）学生交互性操作步骤，共 22 步。

（2）交互性步骤详细说明

本实验包括五个环节，其中学生交互性操作步骤共22 步。

第一环节：预习

学习内容包括：废水厌氧处理技术，IC反应器结构及工作原理。这部分由学生课前完成。

第二环节：实验简介

这部分内容帮助学生了解实验背景，实验目的，实验流程、实验要求以及成绩评定方法等内容。使得学生对实验教学有整体的认识。

第三环节：废水厌氧处理认知

学生进入仿真系统，进入预习模块后点击相应知识点学习。学习内容包括：废水处理流程，IC反应器结构认知，IC反应器模拟装配。

步骤1：进入实验平台界面。

填写账号、密码后点击登录。登录平台即可点击“开始学习”，进入项目学习环节。

图5 平台界面

步骤2：进入项目学习环节，将出现图6界面，该界面即为实验仿真项目三大模块入口，分别为“IC反应器认知”、“反应器设计和启动”、“故障学习”。根据实验过程设计，完成实验首先需进入第一大模块。

图6 高浓度有机废水厌氧处理虚拟仿真界面

步骤3：点击“IC反应器认知”。

进入反应器外部及内容主要结构的认知环节。如图7界面，该环节设置了“操作说明”、“知识点”、“设计考核”、“IC反应器视频演示”及“结构展示”等模块。初学者可以进入下一步，点击“知识点”了解相关反应器的知识。为下一步实验学习铺垫相关理论知识。

图7 认知界面

步骤4：进入“知识点”界面，如图8所示。

在本界面中，学生概况介绍对IC反应器有个初步的了解，同时，通过点击屏幕下方各单元图片，界面会弹出相应设备的介绍和图片，以平面展示形式，让学生对IC反应器内容主要构筑物有抽象的认知。其中包括：反应塔、设备内容结构、主要设施“三相分离器”、“反应器内部部分系统”、“颗粒污泥培养及可视外观”等。相关知识学习完成后，点击“返回”键“”，重新回到“认知界面”。

图8 “知识点”界面

图9 “知识点”界面主要构筑物相关知识点学习界面

步骤5：点击“视频展示”进入“IC反应器视频展示画面”。

在视频展示中，我们可以通过观看短视频，同时通过老师对视频的介绍和讲解，从三维立体空间，观察IC反应器外观和内部结构（透视），并且通过学习亦能更加直观了解反应器工作原理和内部结构。通过直观感知学习，引导学生运用“观察法”进入自主学生阶段，通过视频教学，引导学生在轻松的环境中将知识自主的掌握在脑海中。视频展示结束后，学点击“返回键”返回“知识点界面”。实验将进入下一个环节。

图10 视频展示IC反应器内部三维立体结构

步骤6：点击“结构展示”，进入虚拟反应器内部结构展示部分。

在本知识点的学习中学生可以自己操作相应鼠标和按键，进入反应器一侧，见图11。真正以仿真形式表现实体反应器内容真实情况，从下到上了解反应器底部布水器的布设、三相分离器的位置及布设方式、回流水的走向、污水和生物污泥在反应塔中的流态，厌氧产生沼气的收集。同时，在这个环节设置了三个小“错误”，学生要点击“设计考核”方能完成纠错环节。

图11 IC反应器侧方位剖面图

步骤7：点击“设计考核”，进入纠错环节。

学生需要通过上个环节的仔细观察，找到反应器内部错误部位，直接点击错位位置，既能获得相应分数，圆满完成本环节“知识点”的学习。当学生在完成本部分实验有困难时，可以点击“？”，此时，会出现图14画面，此对话框会教会学生如何查错及纠错的时间，完成任务后点击“返回键”重新回图6“虚拟仿真界面”。到此，第一个模块的学习圆满完成。

图12 设计考核按钮 图13 反应器内部结构

图14 考核模式知识解读

第四环节：IC反应器设计和启动

掌握了IC反应器结构及内部主要部件后，学生进入实验主要阶段。在本阶段中，学生需要运用前面所需知识，对反应器进行设计和计算，通过选择正确的公式和参数设计出反应器容积，并启动IC反应器，进入“颗粒污泥培养”环节。

步骤8：点击“IC反应器设计和启动”按钮，进入实验主模块。

该模块设计一个典型案例—畜禽养殖场废水处理工艺中厌氧反应器设计，通过对废水流量、有机物浓度、负荷、容积的选择、计算和设计，让学生了解IC反应器的容积计算，引领学生进入“问题导向”环节。

IC反应器虚拟仿真学习操作按钮

图16 IC反应器相关参数的设计与计算

步骤15：完成设计计算部分后，进入模拟废水颗粒污泥培养模块。见图17。

本界面将出现操作指引，学生通过学习了解污泥培养。厌氧颗粒污泥培养，需要具备的条件为：高稀释率、Ca的浓度、营养物质的需求、合适的微生物种群比例、合适的内核、产甲烷菌附于内核上生长、酸化细菌帮助维持颗粒结构等。本实验设计了营养物质（COD）、水质酸碱度作为颗粒污泥培养的两个变量因子。第一步：进水有机物浓度的选择。本步骤式让学生了解微生物在生长过程中是主要依靠的营养物质是有机物，在培养颗粒污泥时，有机物的浓度是决定因素，因而实验在完成有机物浓度数据选择后，将进入下一步骤。

图17 颗粒污泥培养界面

步骤16：点击进水阀门，设置进水COD，点击取样，显示当前模拟水质几个有代表性的指标。学生在操作过程中明白厌氧颗粒污泥形成与有机营养物质之间的关系。

图18 颗粒污泥培养过程出水水质变化显示图

步骤17：水质酸碱度选择。作为颗粒污泥培养的另一个变量因子“酸碱度”，我们是利用加药剂的方式，来实现水质pH变化的。

图19 调节酸碱的药剂

步骤18：培养天数动态模拟。在界面右上角有一个时间变化显示器，按“天”在不断变化，此环节主要的知识点：学生了解污泥培养，特别是厌氧颗粒污泥的培养并非1~2天，或一个短时间就能完成的，需要较长的培养周期，适宜的环境条件方能成功培养成功。实验通过点击“进水阀”，对有机物（COD）进行三次选取，以及通过下面的显示的三个“试剂瓶”进行“pH”调节，如选择错误，取样的水质“pH”将产生变化，达不到适宜的培养酸碱度，40天后会出现实验“失败”的提示。当然，如果各影响因素选择合适，亦会显示“测验结束”的提示，见图19（1）、（2）。

图20（1） 厌氧颗粒污泥培养结果显示

图20（2） 厌氧颗粒污泥培养结果显示

第五环节：运行及故障处理

稳定运行的IC反应器，可能会出现异常现象。包括：出水口出水浑浊，出水携带污泥颗粒，反应器内污泥沉降，反应器上部的压力表压力过大报警，甲烷泄露监测表报警。学生需要根据异常现象采取相应的措施。

步骤19：点击“故障学习”，选择学习的故障类型。在本实验中我们设计了厌氧反应器经常出现故障中有代表性的两个现象“出水浑浊”、“颗粒污泥解体”，告知学生在设备运行过程中认真操作管理是保证出水水质达标不可缺少的工作。

图21 故障学习“按钮”界面

步骤20：点击“IC出水浑浊”，进入第一个故障环节。在本实验中学生通过点击“取样”，出现图21界面。可以发现出水水质“温度”是合适的、“pH”值偏低，主要问题是出水COD浓度值太高，因而该指标是引起水质变浑浊的主要原因，以“问题为导向”引导学生学习了解采取哪些措施能解决出水水质浑浊问题。提示框出现“进水COD浓度值选择”，说明进水浓度是主要影响因素，降低进水COD浓度，再次点击“取样”，会发现出水COD浓度得到控制。

图22 出水水质显示界面

图23 调节进水COD后显示的出水水质

步骤21：点击“颗粒污泥解体”，进入第二个故障的学习。同样通过“以问题为导向学习法”，引导学生了解“颗粒污泥解体”同样会影响出水水质，使出水“pH”值偏低，出水COD浓度升高，出水不达标，见图24。本环节实验要求同学们调节进水COD浓度，正确选加药剂加入进水中，使厌氧生物污泥在适宜的条件下生长，进而逐渐形成“颗粒状”厌氧污泥，使出水水质变清。

图24 颗粒污泥解体出水水质指标图

步骤22：点击“导出实验报告”，实验操作部分结束。实验操作部分结束后，回到首页界面，点击“导出实验报告”按钮，将会弹出两个关于问题回答界面。

图25 导出实验报告按钮

图26 实验报告样式