SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：为适应新工科专业建设对环境工程专业人才培养的新要求，结合“水污染控制工程实验”课程建设过程中出现的设备重复购置、维护费用高、利用效率低下等问题，本文引入模块化、标准化设计制作水处理装置的思想，设计制作了模块化水处理实验装置，并对模块化设备研制的原则、特点及关键技术等问题进行了探讨，通过模块化水处理设备的实际应用，结果表明模块化的水处理设备不仅有利于学生对水污染控制工程课程内容的深入理解，更有助于学生实践能力的培养和工程思维的养成，初步施行效果较为理想，取得了良好的实际应用效果。
关键词：水污染控制；水处理装置；模块化；标准化
本文引用格式：周建刚等《水污染控制工程实验》模块化水处理实验装置的研制[J].教育现代化，2019，6（98）：184-186.
Development of Modular Water Treatment Experimental Device for“Water Pollution Control Engineering Experiment”
ZHOU Jian-gang，CHEN Hong-bing，LU Jin-deng，XU Feng
（Faculty of Resources and Environment，Hubei University，Wuhan Hubei）
Abstract:In order to adapt to the new requirements of the construction of new engineering disciplines for the training of environmental engineering professionals,combined with the problems of repeated equipment purchase,high maintenance costs and low utilization efficiency in the course of the construction of the Water Pollution Control Engineering Experiment,this paper introduces modularization and standardization.The idea of designing and manufacturing water treatment equipment,designing and manufacturing modular water treatment experimental equipment,and discussing the principles,characteristics and key technologies of modular equipment development,through the practical application of modular water treatment equipment,the results show that modular water treatment equipment not only helps students to understand the content of water pollution control engineering courses,but also helps students develop practical ability and develop engineering thinking.The initial implementation effect is ideal and has achieved good practical application results.
Key words：water pollution control；water treatment devices；modularization；standardization
“水污染控制工程实验”是环境工程专业的重要的专业基础课程，具有非常强的实践性。现行教材针对不同的污染水体，综合运用了物理方法、化学方法和生物方法进行处理，如MBR工艺、SBR工艺、生物转盘和A2/O工艺等，使其水处理技术工艺呈现出类型多样、技术复杂的特点。在“水污染控制工程实验”的实验教学过程中，如何模拟各种水处理工艺流程，让学生更加生动、直观地学习水处理工艺的流程，提高实验教学效果，一直是笔者所关注的焦点。解决好各种水处理技术的多层应用问题，对于学生有效掌握理论知识并应用于指导水污染控制实验的开展具有重要意义[1]。
一研制背景
目前，水污染控制工程成套实验设备发展成熟，但都存在耗资大、占地多、灵活性差等问题。水处理装置一般包括依次连通的多个反应池来对应处理流程中的多个处理工艺，并根据需要在反应池上连接进水、出水，进气、排泥等装置。现有的水处理工艺实验装置往往都是一体化集成，其弊端在于在教学过程中因某一单元的损坏，就会导致一整套污水处理工艺装置无法使用。同时，由于水处理工艺类型多样，为了让学生能了解多种工艺流程往往需要购买大量不同类型工艺的一体化成套设备，占用空间极大，给设备管理与维护造成了困难，而往往一套设备在一个学年内使用次数较少，导致设备利用效率不高。而不同的水处理工艺往往具有相同的处理单元，但由于污水处理工艺装置的一体化，导致不同工艺装置的相同处理单元相对独立，不能通用，若一个单元损坏无法使用直接导致一套水处理工艺设备无法运行，或者是同一实验需要多台（套）相同装置也无法移植其他工艺设备的相同单元来替换，这使得设备购置、维护费用高、利用效率低、影响正常教学等，形成与“物尽其用”相悖的局面[2]。
面对上述窘境，为了克服成套设备工艺设计本身的缺陷，本文基于标准化、模块化设计制作水处理装置的思想，设计制作了模块化水处理实验装置的快速连接装置和模块化水处理实验装置的处理池[3]。
二 设计原则
（一）模块化设计理念
模块化一般指使用模块的概念对产品、装置或系统进行科学的规划和组织。模块是模块化产品的基本组成元素，是一种实体概念。因此，在水处理实验装置研制过程中引入模块化的方法，将一个完整的实验装置切割成不同的模块，每个模块为具有一定功能和结构组成部分，每个部分具有不同性能或用途的装置或单元，能够实现互换和替用[4-6]。由于模块具有一系列技术和经济的特性，在系统组合过程中，通常可按照系统功能的要求确定相应的模块类型、数量以及连接方案，合理地构成适应不同需要的系统；或者在已有的系统中，通过增加、减少或更换部分模块从而实现系统功能变换，将使整个系统或装置得以简化或优化[7]。
（二）模块的特点
按照模块化原理进行划分的模块具有一系列的特点，主要有：
（1）独立性。模块内部的元素或零件除了通过接口，一般不与外界发生联系。模块因而就可以不再从属某个系统，只要任何一个需要某项功能的系统能够兼容，具备相应功能的模块就可以组合或替换[8-9]。
（2）互换性。模块的互换性主要有两种，其一是指同种模块间的互换；其二是指不同功能、结构形式或性能指标的模块间可以互换，从而改变系统的功能或性能指标。
（3）灵活性。模块的灵活性直观上表现为，规格不多的模块可以构成配置方式多样、功能与性能覆盖范围相当大成系列的系统，当系统增加减少或更换某些模块，就可以方便地使得性能与功能的更新与变化；而且，同一功能的模块，可利用不同的元素以及连接方式构成。模块化的基本方法与原则模块化是把系统进行分解与组合的过程，通常的程序是：系统分割、局部优化和系统协调。
三 模块化水处理装置实例
根据模块化组合装配的思想，设计了一种用于模块化水处理装置。该模块化水处理实验装置主要由通用模块和水处理模块构成。通用模块主要包括储水箱、带进水水量流量计的水泵、带气体流量计的鼓风机，移动式搅拌器，带气体流量计的沼气储存罐等，该通用模块可以根据需要连接在相应的水处理工序中。水处理模块是将单一工序制作成一个独立的模块，每个独立模块可以完成一个或多个水处理功能；每个独立模块均设在可移动、可调节的支架上，以利于移动、组装和调节高度以适应装置需要的高程差；每个独立模块均配备有进水、出水接口，可以通过管道与带流量计的水泵模块连接，如需曝气则配备有空气管接口，可以与带气体流量计的鼓风机模块连接。水处理模块包括但不限于调节池、沉砂池、沉淀池、曝气池、SBR反应池、生物滤池、生物接触氧化池、厌氧池、UASB、混凝池、过滤装置、吸附装置、消毒装置等。各模块之间通过可拆卸式的导管连接，水处理工艺实验可以通过接换不同的处理模块而形成不同的水处理工艺。该水处理实验装置模块化设计，具有占地面积小、灵活性高、操作简便、演示清晰明了、方便组合成各种不同水处理工艺等优点。
（一）技术关键
模块化水处理装置的处理池通过活动接管能够快速连接各种不同的水处理部件，使得处理池能够实现不同的功能，包括但不限于作为调节池、沉砂池、沉淀池、曝气池、氧化沟、SBR（序批式活性污泥法）反应器、生物滤池、生物接触氧化池、膜生物反应器、厌氧池、厌氧生物滤池、UASB（上流式厌氧污泥床）反应器、IC（厌氧内循环）反应器、厌氧折板式反应器、混凝池、过滤装置、吸附装置或者消毒装置等，极大增强了装置的灵活性和可移植性。
（1）水处理池
模块化水处理实验装置的处理池内包括水处理池体，其侧壁上开设有进水接口围堰、出水接口槽、进气接口、污泥回流和污泥排放接口等。
（2）活动接管
活动接管一一对应布置于接口槽中，每个活动接管包括固定接头、快速接头以及褶皱管，固定接头与池体固定连接，一端连通反应腔，另一端连通褶皱管一端，快速接头包括管体、螺纹部以及插接部，管体一端连接褶皱管远离固定接头一端，其另一端依次连接螺纹部以及插接部，螺纹部外表面开设有螺纹，插接部外径小于螺纹部内径。
（3）连接套管
模块内壁上开设有螺纹，与螺纹部啮合连接。与现有技术相比，这种用于模块化水处理装置的处理池设计有包含褶皱管以及快速接头的活动接管，褶皱管能够在纵向调整快速接头的高度，方便反应池与其他部件进行匹配，而快速接头包括管体、螺纹部以及插接部能够实现快速连通，方便快捷地组装实验装置。
（4）模块间标准化接口
每个模块的整体配置均采用一体化底座，配备升降机以调节处理水高程差。模块内各功能装置一次配备齐全，内部结构形成一个统一的整体。模块化装置与传统意义上的水处理设施不同，每个模块在制作过程中采用标准化的接口和链接方式，方便各模块单体之间相互替换、链接成整体，方便各模块之间自由组合或替换供不同的水处理工艺使用，也易于运行维护管理。
四 教学效果
（一）结构简单，组合方便
采用模块化水处理装置的处理池设计，主体采用A2O、ABR、MBR等组合工艺装置，采用模块化结构，可任意组合，安装快捷方便。整个实验处理装置使用标准化的褶皱管、快速接头等活动接管，方便反应池与其他模块进行匹配对接，褶皱管能够在纵向调整快速接头的高度，而快速接头包括管体、螺纹部以及插接部能够实现快速连通，方便快捷的组装实验设备，使水处理装置的自由组合成为可能。
（二）充分调动学生自主性、加深对工艺流程的理解
学生在学习水处理工艺流程组合工艺的同时，通过将复杂工艺过程再梳理、分类和模块化分解，能够将复杂、繁多的信息通过多层面、立体化分解，便于学生全面理解和深度消化，能够最大程度将水处理的各个工艺的流程以及各模块的功能特点等生动展现在学生面前，不仅有利于学生对水污染控制工程课程内容的深入理解，有利于建立对本课程从理论到实践，再到深入理解掌握的认识过程，更有助于学生实践能力的培养和工程思维的养成，初步施行效果较为理想，值得进一步研究和完善[10-11]。
（三）模块互通，节约投入成本
将水处理实验模块化设置，使得模块之间可以共享，单元之间可以通用，提高同一模块的使用频率和数量，更增加了装置使用的灵活性。
（四）提高创新质量，降低维护成本
通过模块之间相互通用和借用，可以尽可能地减少新设施的投入数量，减少重复投入，更重要的是促进平台的通用性和质量创新，提高模块的共享程度。通过教学设备的模块化，可以大幅度消减零部件数量，使成熟件的占比得到大幅度的提升，从而提高装置的质量和可靠性。
参考文献
[1]王龙飞，李轶，牛丽华.新工科建设背景下环境工程概论教学模式改革研究[J].教育现代化，2018（41）：15-17.
[2]刘克利.论高校校内资源优化配置模式的构建[J].机械工业高教研究，2001（4）：68-72.
[3]周迟骏，王连军.教材编写如何适应改革开放新形势的探讨——谈《实用环境工程设备设计》一书的编写指导思想[J].南京理工大学学报（社会科学版），1995(Z1)：147-149.
[4]柳国梁，张新育，胡兆明．变电站模块化建设研究综述[J]．电网技术，2008，32(12)：36-38.
[5]刘涛，刘明月.二次设备模块化设计[J].东北电力技术，2016，37（5）：35-38.
[6]黄逊青.环境试验设备模块化设计探讨[J].测试设备，1992（5）：12-17.
[7]周敬宣.环保设备及课程设计[M].北京：化学工业出版社，2007.
[8]蔡颖，李绍勇.《建筑环境与设备工程概论》课程教学思路的改革[J].甘肃科技，2007（8）：227-228.
[9]杨磊.平台化、模块化设计在汽车行业的应用[J].机械装备研发，2019，50（8）：147.
[10]李雪，冯冲凌，罗琨，等.应用型本科院校“水污染控制工程”课程改革初探[J].课程教育研究，2016（29）：212.
[11]张楠，郁有祝.化工原理实验的模块化教学改革研究[J].广州化工，2018，46（15）：164-165.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！ 文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jiaoyulunwen/29979.html
