污水处理厂虚拟现实教学实验

实验教学方法

虚拟现实（VR）沉浸式体验：通过在虚拟世界里提供流畅的 3D 视频、真实声音、直观的环境操作控件以及对用户行为的自然反应，让虚拟世界变得真实。通过与虚拟世界里的几乎所有事物进行交互，保持沉浸持续存在且引人入胜，而不只是令人印象深刻。VR 还可提供不依赖技术的优质内容，使 VR 交互成为学生体验的核心，让学生能够轻松、快速、顺利地进入虚拟污水处理厂，达到“上天入海”的效果。VR场景最大程度地还原了污水处理厂的现场，利用计算机生成一种模拟环境，建立了多源信息融合、交互式的动态视景和实体行为的系统仿真，使学生“身临其境”，就像参与反应的分子一样走完全部工艺流程，解决了下厂实习时“看不见、摸不着、进不去、想不通”的老大难问题。

数学仿真：污水生物处理的数学模型以细胞生长动力学为基础，结合反应器理论与微生物理论，对基质的降解、营养物的吸收与转化以及微生物生长等各参数之间的数学关系做动态的定量描述。本实验将具有碳氧化、硝化和反硝化的活性污泥2号D模型（ASM2d）与生物除磷代谢模型（TUD）结合后形成TUD联合模型，将其应用于污水处理厂AAO（Anaerobic-Anoxic-Oxic, 厌氧-缺氧-好氧）工艺。该工作可实现工艺内的微生物生长、有机物/营养物代谢、工艺运行状况及出水水质的模拟预测与优化。通过将污水处理的数学模拟技术与VR技术结合，可使学生身临其境地观察污水处理工艺的运行及内部的微观机理，并了解污水处理厂实际工程控制的实现方法，巩固课堂知识要点。

移动互联增强现实（AR）构筑物分享平台：国内教学领域首家AR分享平台，使学生在移动终端上，可以随时随地的体验污水处理构筑物（进行放大、旋转、平移操作）3D打印水池：使学生更加直观的建立整体构筑物的空间概念 ，解决了虚拟和增强现实技术中不可触碰把玩的问题。3d动画视频：有针对性的为学生演示AAO工艺，解决上述技术手段难以呈现的部分。

实验方法与步骤要求

课堂教学分为课前预热、沉浸体验、答疑互动三个环节。在课前预热环节，教师先对“改进AAO污水处理处理流程” 图纸进行了详细解读；在沉浸体验环节中，学生通过操作设备，全方位自主探索构筑物的各个部分，既可以从高空俯视全局，又可以深入水池内部考察细节，足不出户就实现了“上天入海”；在答疑互动环节，教师提供3D打印污水池、增强现实(AR)构筑物、3D动画视频及模型给学生，针对学生问题进行互动解答。

沉浸体验环节包括AAO工艺污水处理厂的数学模拟优化和工艺设备认识两部分。在工艺模拟优化部分，学生将分析给定的污水处理工艺条件，并利用数学模拟技术分析该条件下微生物作用及对应的工艺出水水质；由数学模拟技术获得各参数影响出水水质的规律，进而确定最佳工艺优化方案。在工艺认识部分，学生浸入式地体验VR环境下的污水处理厂构筑物及运行流程，观察污水处理工艺各参数调控的实际实现方法。

改进AAO工艺虚拟现实（VR）课件：（操作步骤视频）

（一）AAO工艺模拟优化

操作步骤1：进入VR环境下的工艺控制室，参观AAO工艺沙盘。

操作步骤2：进入污水处理厂控制室的数学模拟模块，模拟AAO工艺在预设参数下的运行，观察出水水质，并回答出水水质是否达到城市污水处理排放标准（一级A标准）。

操作步骤3：调节进水量，预测出水COD、总氮、总磷浓度（回答问题后可查看工艺模拟运行结果）；在模拟结果中观察出水中COD、氨氮、硝酸盐氮和总磷浓度。

操作步骤4：调节污泥龄（SRT），观察出水总氮、总磷、微生物浓度以及各类微生物的比例，并总结分析合适的污泥龄值。

操作步骤5：设置不同硝化液内回流量，观察出水中氨氮、硝酸氮浓度的变化，以及反应池中硝化细菌和反硝化细菌浓度变化，总结硝化液回流对反硝化作用的影响。

操作步骤6：调节污泥回流量，观察工艺中聚磷菌浓度的变化，各反应池中聚磷酸盐、PHA浓度变化，总结污泥回流对除磷的影响规律。

操作步骤7：改变好氧池溶解氧浓度，预测出水COD、总氮、总磷浓度（回答问题后可观察工艺模拟运行结果）；在模拟结果中观察出水水质变化，以及硝化细菌、反硝化细菌和聚磷菌浓度变化，总结工艺脱氮除磷与溶解氧的关系及原理。

操作步骤8：根据工艺调控参数与水质的关系，先模拟确定最佳污泥龄，再确定合适的溶解氧值、污泥回流和消化液回流量。

操作步骤9：模拟最优运行参数条件的出水水质，回答是否达到城市污水处理排放标准（一级A标准），并总结工艺优化的关键调控参数及调控方法。

（二）学习AAO工艺

操作步骤1：在构筑物上自由游览（观察管道分布、设备安装）

操作步骤2：俯视模式（空中观察池体、观察水线、回流线、污泥线）

操作步骤3：进水（防水套管）

操作步骤4：集水渠

操作步骤5：进水闸门（启动进水闸门、启动污泥回流闸门）

操作步骤6：低速推流器（ 启动设备）

操作步骤7：微孔曝气管（正确回答问题，触发推流器动画）

操作步骤8：MBBR（观察MBBR填料流动）

操作步骤9：潜流推进器（启动设备，观察设备）

操作步骤10：溢水口（观察三角溢流堰出水情况）

操作步骤11：出水口

操作步骤12：硝化液回流（观察回流路线）

操作步骤13：好氧区（正确回答问题，触发微孔曝气管动画）

反硝化深床滤池工艺虚拟现实（VR）课件：（操作步骤视频）

操作步骤1：VR课件基本操作，输入学号

操作步骤2：进水（防水套管、搅拌机模型、启动搅拌机、开始进水）

操作步骤3：闸门（闸门模型、启动闸门）

操作步骤4：滤池（滤池模型、展开滤池结构、演示滤池运行动画）

操作步骤5：清水管（查看清水管水流方向）

操作步骤6：清水池（清水池模型，开启检修口）

操作步骤7：水反洗-进水（手动蝶阀、电动蝶阀、气动蝶阀、止回阀模型）

操作步骤8：水反洗-管道（查看反冲洗管道水流方向）

操作步骤9：水反洗-滤池（滤池模型、演示水反洗运行动画）

操作步骤10：水反洗-废水管（查看废水管水流方向）

操作步骤11：水反洗-废水池（废水池模型）

操作步骤12：气反洗-鼓风机（启动鼓风机）

操作步骤13：气反洗-空气管（查看空气管气体运动方向）

操作步骤14：气反洗-滤池（演示气反洗运行动画）

操作步骤15：俯视模式（空中观察池体、观察水线、水反洗线、气反洗线）

操作步骤16：答题环节（反硝化深床滤池目的、形式、外加碳源、滤料、滤速等十道选择题）

实验结果与结论要求

掌握污水处理厂主要工艺流程的设计和关键参数；提高学生对实际工程设计、建设和安装的直接认知; 

考核要求

学生能熟练地描述“改进AAO、反硝化深床滤池污水处理流程”，掌握关键工艺参数（处理水量、停留时间、水力负荷等）。

正确回答AAO和反硝化深床滤池VR课件中的问题。

专业与年级要求

1. 本科生：环境工程大三、大四学生为主；面向一二年级学生可以进行普及型专业教育。

2.研究生：环境工程及相关专业硕士研究生       

基本知识和能力要求

1.大一、大二学生参观：无需先修课程，以专业教育为主。

2.大三、大四学生参观；需先修水污染控制工程、环境工程微生物、环境工程CAD、环境工程概预算等课程

3.研究生了解和掌握污水处理厂相关工程原理的基础上，深入了解和污水处理各单元的设计要求和工程优化。