餐厨垃圾厌氧发酵虚拟仿真实验
本实验以国家级餐厨垃圾厌氧发酵试点工程为原型,融入“实训、互动、创新”理念,建立了一个从综合设计到运营管理的高仿真、高交互式和全程参与式的生物质能回收虚拟操作平台。通过对餐厨垃圾预处理设备、厌氧发酵设备、废气废水固废处理设备的建模,模拟可视化餐厨垃圾厌氧沼气资源化和碳减排过程。学生通过反复的虚拟操作和浸入式的联动体验,全面深刻地认识和理解垃圾厌氧发酵的全流程操作过程,提升教学效果和学生实践创新能力。
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实验教学项目负责人情况
姓名 陈婷 性别 出生年月 1985-12-07
学历 博士研究生 学位 博士 专业技术职务 副教授
行政职务 副系主任 院系 环境科学与工程学院
教学研究情况

1.主持的教学研究课题

“开放-互动-智慧”型产教融合模式在一流新工科人才培养体系中的应用研究、浙江省教育厅(省级教改)、2020-2022.

2.教研论文

(1)环境工程专业应用型实践教学体系的构建. 农村经济与科技.2016.2.20

(2)固体废物处理虚拟仿真工程实验设计思考.智库时代.2020.6

3.教学表彰

2015年校级教学成果奖 特等奖(“启发、互动、融合、协同”的环境专业卓越人才培养模式的探索与实践). 2015

学术研究情况

1. 近五年承担的学术研究课题

(1)负压单室MEC中产甲烷抑制效应及其调控机理,国家自然科学基金-面上项目,2019-2022,主持;
(2)丙酸厌氧转化的铁促进行为及机制研究,国家自然科学基金-青年基金,2016-2019,主持
(3)
青贮果蔬废物适度乳酸化的微生物生态制衡机制研究,浙江省自然科学基金-探索项目,2022-2024,主持
(4)
铁对餐厨垃圾高负荷厌氧发酵体系中酸抑制的解除机制研究,浙江省自然科学基金-青年基金,2015-2018,主持
(5)
企业收运处一体化的餐厨废油资源化利用国家循环经济标准化试点,企业委托课题、2015-2018、主持
(6)
生活垃圾源头分类碳减排技术及装备开发,企业委托,2021-2022,主持
2.发表的学术论文:
(1) Effect of magnetite particle size on propionate degradation in the propionate-based anaerobic systemScience of The Total Environment9*/9(通讯作者)、 2022.
(2) Comprehensive evaluation of environ-economic benefits of anaerobic digestion technology in an integrated food waste-based methane plant using a fuzzy mathematical model Applied Energy1/8 (通讯作者)、2017.
(3) Optimization of Fenton treatment process for degradation of refractory organics in pre-coagulated leachate membrane concentrates. Journal of Hazardous Materials5/5 (通讯作者)、2017.
(4) Resource potential and global warming potential of fruit and vegetable waste in China based on different treatment strategies Waste Management6/6(通讯作者)、2022.
(5) Solid digestate disposal strategies to reduce the environmental impact and energy consumption of food waste-based biogas systemsBioresource Technology1/5 (通讯作者)、2021.
3、获得的学术研究表彰/奖励
1) 南方村镇生活污水分级处理关键技术装备与智慧化运维、浙江省人民政府(浙江省科学技术进步奖二等奖)、2022
(2)高氯高硫高湿类固体废物水泥化利用成套技术及应用、中华人民共和国生态环境部(环境保护科学技术奖二等奖)6/9、2019
(3)餐厨废弃物分质分相梯级转化利用关键技术研究与应用、浙江省人民政府(浙江省科学技术三等奖)、7/8、2019
(4)农村污水生物强化脱氮与智能化运维关键技术研发及工程应用、浙江省人民政府(浙江省科学技术三等奖)、3/9、2018.

实验教学项目教学服务团队情况
团队主要成员
序号 姓名 所在单位 专业技术职务 行政职务 承担任务 备注
团队其他成员
序号 姓名 所在单位 专业技术职务 行政职务 承担任务 备注
{xh} {xm} {xx} {zyzw} {xzzw} {cdrw} {bz}
项目团队总人数:6 人高校人员数量:4人 企业人员数量:2人
实验目的

随着经济的快速增长,餐厨垃圾产生量与日俱增。推动餐厨垃圾中蕴藏的大量的生物质能的资源开发,符合CO2+阳光-作物-生物质能源-CO2的碳平衡,形成了一个理论上CO2净零排放的物质循环,契合我国循环经济、低碳生活等可持续发展理念,是我国生态文明建设的重点内容。此外,餐厨垃圾的能源回收亦与食品安全,人体健康和环境污染密切相关,如餐厨垃圾处理不当易产生泔水猪”“地沟油等食品安全隐患。因此,有效回收餐厨垃圾中的生物质能可以促进我国节能环保和新能源两大新型战略性产业的发展,驱动我省美丽浙江、美好生活目标的实现。本项目以关注度较高的餐厨垃圾厌氧发酵制备清洁能源技术为抓手,旨在培养学生面向复杂工程问题的解决能力及可持续发展理念等,使学生成长为适应时代发展需求,具有全局观和创新能力的新工科实干型人才。
        餐厨垃圾厌氧发酵在实现生物质能回收和污染治理的同时,也会产生氢气、硫化氢等易燃易爆危险气体,实验过程具有投入多、流程长、污染大、风险高等特点,使得传统的实践教学难以真实还原或密切追踪发酵的全过程,易陷入走马观花或纸上谈兵的窘境。为此,本项目引进最新的虚拟仿真技术,以真实的餐厨垃圾厌氧发酵实践工程为原型,结合新工科人才培养的要求,融入“实训、互动、创新”理念,开发“餐厨垃圾厌氧发酵虚拟仿真实验”项目,将相关教学重点和难点融入实际工程场景。为化学工艺与工程、资源循环科学与工程、环境科学与工程、能源工程及其相关专业的同学提供一个高仿真、高交互式和全程参与式的虚拟操作平台。该平台可提供实时的信息反馈与操作指导,使学生完成实验操作后达到以下目的:

1)了解和掌握餐厨垃圾厌氧发酵的基本流程和操作规范;

2)深入理解传质、分离及厌氧发酵的单元功能与影响机制,掌握平面布置、设备选型、工艺设计等系统工程设计方法;

3)系统学习厌氧工程的主要设备/构筑物的内部构造及其运行原理,培养全链条工艺流程的运营调试能力;

4)提高学生解决复杂工程问题的综合研究和创新能力

实验课时

(1)实验所属课程所占课时:32    

(2)该实验项目所占课时:
实验原理

1.餐厨垃圾厌氧发酵的基本工艺流程

     餐厨垃圾厌氧发酵是一个系统工程,包括预处理系统、厌氧产沼系统、沼气提纯回用系统、沼液沼渣处理系统和除臭5个系统,如下图1所示。其核心设备是厌氧发酵工艺,在本项目建设过程中,发酵罐根据实际工程进行全系统真实还原,其搅拌装置、进料系统及物料管线与实际工程的仿真度达100%。

2.餐厨垃圾厌氧发酵处理的原理
   厌氧发酵过程伴随着多种微生物的共同作用,其生化过程十分复杂,目前主要将该过程分为三个步骤:水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段[5],具体步骤如下所示:
1)水解酸化阶段:大分子有机物例如纤维素、淀粉、蛋白质及脂类等在微生物胞外水解酶作用下分解成水溶性小分子有机物,包括单糖、甘油等。而后再产酸发酵细菌进一步转化为挥发性脂肪酸和醇等末端物质。
2)产氢产乙酸阶段:专性厌氧菌利用第一阶段产生的末端物质(主要为丙酸、丁酸等)产生乙酸、水和二氧化碳,在此同时部分自养菌还能将二氧化碳还原合成乙酸。

3)产甲烷阶段:产甲烷菌利用上一阶段产生的乙酸、甲酸、氢气、二氧化碳等物质转化成甲烷和细胞质。

3. 知识点:共  7  个

   (1)厌氧发酵工艺类型:根据发酵温度、进料方式、物料特性等的差异,餐厨垃圾厌氧发酵具有不同的类型。目前工程上使用较多的分类方法包括干式单相、干式两相、湿式单相、湿式两相等典型工艺

   (2)餐厨垃圾预处理系统:为了提高厌氧发酵的产沼率及其稳定性,需要对餐厨垃圾原料进行预处理,包括杂质分选、物料均质、油脂分离等。尤其是在杂质分离环节,需要根据目标杂质的理化特性,选择不同的设备。

   (3)厌氧发酵的影响因素:厌氧发酵主要是在厌氧条件下利用微生物的代谢活动产生再生能源沼气的过程。沼气主要成分是氢气和甲烷。而在厌氧发酵过程中影响氢气和甲烷产生过程因素很多,主要包括pH、有机负荷、微量元素等,pH会影响微生物活性进而影响厌氧发酵的运行,一般pH 6.5~7.8最适合厌氧发酵产甲烷过程的进行,pH 4~6适合厌氧消化产氢气,当pH低于4时产气基本停止;有机负荷对应于厌氧消化系统的处理能力,有机负荷过高则会导致系统酸累积,从而抑制微生物活性,有机负荷过低则降低了系统的处理能力。微量元素例如铁、钴、镍、氟、硅、铬、铜、钼、硒等也对厌氧消化过程有巨大的影响。在许多研究和实际沼气体系中,微量元素不足会显著导致挥发性有机酸累积、有机物分解不完全和系统运行不稳定甚至崩溃。

    (4)沼气利用提纯:为保护沼气利用设备如蒸汽锅炉不会因沼气中硫化氢浓度过高产生腐蚀,并通过控制进料沼气中含硫量从而控制排放烟气中SO2达标排放,在沼气进入沼气锅炉或火炬之前需要进行脱硫净化。目前沼气脱硫方法主要有化学脱硫(干式)法和生物脱硫法。根据工程实际运行数据,化学脱硫(干式)法硫化氢去除率可达到99%,生物脱硫法可达到90-98.5%。实际工艺要根据沼气利用要求的硫化氢含量选择合适的提纯工艺。
   (5)油脂回收:为了回收餐厨垃圾中的高经济价值产品废油脂,需要设置专门的油脂回收工艺,在减轻后续处理负担的同时,回收高价值的资源化产品-粗油脂。其中,经油脂回收后,液相中含油率不超过0.2%,粗油脂中含杂率不超过0.5%。
   (6)沼渣堆肥:厌氧发酵处理后排放的沼渣可通过好氧堆肥技术进行稳定化处理。好氧堆肥是指在有氧的条件下,依靠好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来进行的。在堆肥过程中,沼渣中的可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁被微生物直接吸收,而不溶的胶体有机物质,先被吸附在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性的物质,再深入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动,进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程),把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,并放出生物生长、活动所需要的能量,把另一部分有机物转换合成新的细胞物质,使微生物生长繁殖,产生更多的生物体,最终将沼渣转化成稳定的腐殖质的过程。堆肥产品具有一定的肥效,可回用至农业、种植业等。
   (7)生物除臭系统。餐厨垃圾预处理车间、沼渣堆肥车间和油脂回收车间等产生的臭气应经脱臭处理后方可排放。其中,生物除臭是利用能够转化或者降解恶臭物质的特殊微生物的高效吸附、吸收和降解作用将含硫、含氨等恶臭气体分解成CO2 和H2O 等无害无臭的物质,达到改善空气质量、保护人民身体健康的目标。生物除臭系统的主要优点是:处理效果好,能满足世界各地严格的环保要求;无二次污染;运行稳定,耐冲击负荷;维修维护量少;能耗小、运行费用低;组装式池体,便于分期实施系统中扩大规模时增加处理容量。

    


实验仪器设备

1、硬件

  (1)垃圾车、卸料坑、垃圾输送装置;

  (2)餐厨垃圾预处理系统、厌氧发酵罐、沼气提纯罐、蒸汽锅炉、沼气火炬;

  (3)油脂回收车间、气浮池、沼渣堆肥设备、生物除臭塔

所有硬件系统均在厌氧发酵软件内3D展示。

2、软件

    针对性开发了餐厨垃圾厌氧发酵虚拟仿真软件,该软件创新性地采用了拓扑网络分析方法设计了组装式平面布置、厌氧发酵工艺设计等内容。
实验材料(或预设参数等)

(1)实验材料

    本实验原始材料为餐厨垃圾。我国的餐厨垃圾具有典型的油-水-固三相特性,该垃圾首先依次进入3D平面布置、工艺设计、仿真实操三个一级模块,而后在仿真实操模块,垃圾经卸料-预处理后,产生后续5个二级模块(油脂回收、厌氧发酵、沼气提纯与回用、沼渣沼液处理与除臭系统)实验的二次实验材料。

(2)预设参数

我国的餐厨垃圾是一种油-水-固三相的混合物料体系,其中还含有一定的玻璃、塑料、金属等杂质。本项目预设的餐厨垃圾进料组分如下表所示:


组分

食物垃圾

骨头

木头

织物

塑料

纸张

金属

玻璃

占比(%

87.4

5.2

1

0.4

2.1

2.8

0.3

0.8

实验教学方法

     充分采用交互性、合作式以及独立完成式教学方法,通过理论+仿真实训的方式,由学生通过互联网登录服务器操作虚拟仿真软件进行学习,包括认识实习、生产实习和生产工段深度学习等基本层次,可至少获得以下由浅及深三层次的学习体验。

    首先,结合地沟油、垃圾猪等热点社会问题,了解餐厨垃圾是如何进行资源回收,垃圾与废水、废气输送有何区别,目前我们收集到的是什么样的餐厨垃圾等感统上的学习。

其次,在2D仿真模块中通过餐厨垃圾厌氧发酵系统中工艺环节的组合训练,训练针对不同工艺目标的设计和开发能力;

    最后,通过各个工艺单元设备选型、构造等的3D互动学习,学会调节设备工艺参数,掌握餐厨垃圾厌氧发酵的工艺操作、运行管理等基本技能和方法,从而培养学习者针对餐厨垃圾处理项目进行事故溯源、故障应对、管控水平提升等的高级项目管理能力。案例分析如下所示:

    例:关于学生学习餐厨垃圾厌氧发酵资源化工艺的基本流程和操作规范的教学方法。

    使用目的:克服在餐厨垃圾厌氧现场学习而出现的处理流程覆盖的厂房范围广、厂房内恶臭较大,众多学生同时进入厂房而不便于管理等缺点。加强学生对厌氧发酵原理的理解,理解影响餐厨垃圾厌氧发酵效果的关键工艺参数。同时让学生体验到实际工厂规范操作,并发挥虚拟仿真教学直观、生动以及身临其境的优势。

    实施过程:本实验利用虚拟仿真系统的2D和3D展示优势,将完整的工艺流程信息通过2D展示给学生。同时,将流程中涉及到的厂房、设备、操作等信息通过3D进行传达,使学生利用鼠标和键盘在电脑旁就可以身临其境地走完整个仿真流程。此外,系统的信息展示栏提供相关信息进行细节知识的学习、归纳和总结。在学习过程中将工艺流程与仿真实景有机的联系起来,在操作过程中加深记忆和理解。

    实施效果:学生普遍反映虚拟仿真教学方法生动形象,对餐厨垃圾处理的基本流程和工艺特点理解深刻,大大提高了他们的学习的兴趣和积极性。

     同时,为了增加与学生的互动性和软件的普适性,在实验操作中,设置了“任务模式”和“自由模式”;任务模式下学生需按照餐厨垃圾实际工程操作的流程逐一完成任务,系统开展学习,加强对厌氧整体工艺的理解和把握;而在“自由模式”下,学生可任意跳转所关注或需进一步掌握的设备或环节,进行针对性“查漏补缺”以及和教师的深入互动;同时在评分系统,详细给出了每部分评分的依据以及最终得分,如错题解析等,便于学生开展追溯性学习和教师及时掌握具体实验情况及所存在的问题,从而开展“精准扶贫”式的教学互动活动。


实验方法与步骤要求

本虚拟仿真实验以餐厨垃圾厌氧发酵系统模拟为主体,利用2D+3D的虚拟仿真技术,展示完整的工艺流程信息(2D),关键的厂房、设备、操作及碳排放等信息(3D),使学生在餐厨垃圾厌氧发酵工艺的基本流程和运行操作掌握基础上,理解固体废弃物低碳处理策略和技术管控关键点;利用传质、分离及厌氧发酵的单元功能和影响机制,进行低碳化工艺流程设计等基本锻炼。具体内容分述如下。

1、工艺搭建

Ø  具体操作:用户根据提示,在四种主体工艺,即湿式两相、湿式单相、干式两相和干式单相厌氧中选择厌氧主体工艺,根据所选主体工艺,选择合适的物料连接线并完成车间之间的工艺搭建。

Ø  实验方法:设计式、构建式。学生根据教师的实验题设,虚实结合,在之前已进行过的“垃圾采样制样”、“生物质废物厌氧发酵”等实验的基础上,充分了解不同厌氧发酵工艺特征后,自己设计厌氧发酵主体工艺,形成后续厌氧发酵条件。

Ø  阶段目标:锻炼动手能力。实验工艺由学生自主选择,并据此考虑如何进行系统的构建,前后连接,使孤立的工序构成完整的工艺并能正确运行,可充分发挥学生的主观能动性并锻炼动手能力。

2、垃圾预处理系统

Ø  具体操作:进入预处理车间,根据实验步骤和任务提示依次完成相应的实验步骤。具体包括9个预处理步骤:垃圾进料、人工分选、磁力分选设备运行、破碎制浆机运行、轻物质分选机运行、旋流除砂机运行、湿热调质罐运行、卧式螺旋三相分离机运行以及碟式三相分离机运行,完成一个步骤之后,该步骤显示【✔】,并自动解锁下一步骤。同时,亦可以通过设备检索直接找到相应的设备,每个设备均配有【设备信息】、【原理动画】/【开启】/【参数设置】和【知识答题】,方便用户对设备信息及设备原理进行学习,并通过知识答题加深对设备的了解。此外软件设置有碳排放数据,记录每个设备操作时所产生的碳排放以及系统累积碳排放。

Ø  实验方法:互动式。在步骤1的工艺搭建基础上,学生前续学习过的破碎、筛分等理论知识和实验,前后结果联动、互动,加深认识并巩固知识点,同时实时记录操作结果,形成完整的垃圾预处理操作。

Ø  阶段目标:锻炼动手能力。进入厌氧发酵系统的实验材料通过学生“做出来”,充分锻炼动手能力。

3、厌氧发酵系统

Ø  具体操作:根据步骤1和2,进行厌氧主发酵。根据所选择的工艺类型,启动水解罐或发酵罐。进入相应罐区,设置有【设备信息】、【原理动画】、【参数设置】和【知识答题】,点击【参数设置】,对参数进行调节以完成相应的步骤操作,并显示该操作所产生的碳排放数据以及系统累积碳排放。其中水解罐需要设置的参数有进料C/N、pH、接种比率、水解温度和停留时间。根据设置的参数,实时显示水解产酸量;发酵罐需要设置的参数有进料C/N、pH、接种比率、搅拌速度、水解温度和停留时间。根据设置的参数,实时显示发酵沼气量、CH4和CO2产生量。

Ø  实验方法:互动式。学生根据不同工艺参数而产生的沼气产量和碳排放差异,综合分析判断,设计满足低碳化运行要求的厌氧发酵工艺条件。

Ø  阶段目标:训练科学素养、锻炼动手能力。学生必须要对沼气产量进行分析、判断,结合之前理论学习过程中厌氧发酵工艺的影响参数,分析设计出合适的厌氧发酵条件,可显著锻炼动手能力。

4沼气资源化系统

Ø  具体操作:根据步骤3所获得的沼气,依次进行沼气净化和沼气资源化利用操作。其中, 沼气净化系统,主要是脱硫塔设置有【设备信息】、【原理动画】、【参数设置】和【知识答题】按钮,点击【参数设置】,对碱液喷淋量、水气比和气体穿塔速度进行参数调节以获得较适合的沼气含硫量和净化效率,并显示该操作所产生的碳排放数据以及系统累积碳排放。沼气利用系统主要是在【沼气发电】和【火炬燃烧】两种沼气利用方式中选择其一进行设备启动,并显示相应的碳排放值。

Ø  实验方法:设计式和互动式。学生根据低碳化的处理需求,设计沼气净化单元的最佳工艺操作参数和最佳的沼气利用途径。

Ø  阶段目标:训练科学素养。学生必须要在学习了沼气净化原理的基础上,非常清楚地了解沼气品质与后续资源化利用途径间的关系,从而得出科学的运行参数和合理的沼气利用土建。

5、废水处理系统

Ø  具体操作:针对厌氧发酵后的废水,学生从污染控制的角度依次经过调节池和气浮池两个设施处理,并显示该设施运行所产生的碳排放数据以及系统累积碳排放。其中,调节池主要包括启动和调节碳源两个步骤,而气浮池则需要调节曝气设备、水力停留时间、絮凝剂投加以及刮渣速度等操作参数。学生可不断调节相关工艺参数,以获得最终方案。

Ø  实验方法:互动式。学生根据沼液的理化特性,充分结合水处理单元的工艺特点,优化各处理单元的最佳工艺操作参数。

Ø  阶段目标:激发创新意识、训练科学素养。学生自主优化各个单元及参数,在最低碳排放投入下获得最佳水污染控制效果。

6、油脂回收系统

Ø  具体操作:基于餐厨垃圾中油脂的资源化价值,设置油脂回收车间的提油罐参数,对加热温度、静置时间的工艺参数进行调节以尽可能提升油脂回收率,并显示该操作所产生的碳排放数据以及系统累积碳排放。

Ø  实验方法:互动式。学生在了解餐厨垃圾中油脂特性的前提下,充分结合油脂回收的工艺特点,获得适宜的工艺参数。

Ø  阶段目标:激发创新意识、训练科学素养。学生必须根据餐厨垃圾的含油率特性,结合所学理论知识设计并优化提油工艺。

7、沼渣好氧堆肥

Ø  具体操作:针对步骤2厌氧发酵后的沼渣,从无害化处理的角度对好氧堆肥设备进行参数调节,具体包括调节通风量、碳氮比和翻抛机运行速度,并通过工艺参数的调节,实时观察堆体中堆温和pH值,以获得最佳的好氧堆肥效果。

Ø  实验方法:互动式。学生需充分运用好氧堆肥原理,根据餐厨垃圾发酵沼渣的特性,设计并获得适宜的堆肥工艺参数。

Ø  阶段目标:激发创新意识、训练科学素养。学生必须根据餐厨发酵沼渣的理化特性,结合所学理论知识设计并优化好氧发酵工艺。

8、生物除臭系统

Ø  具体操作:根据上述步骤所产生的臭气,进行收集后进入生物除臭塔。调节生物除臭塔的喷淋量和气体停留时间,以获得最佳的除臭效果,使气体达标排放。同时,显示该操作所产生的碳排放数据以及系统累积碳排放。

Ø  实验方法:互动式。学生根据臭气浓度及最终排放要求,设计除臭单元的最佳工艺操作参数。

Ø  阶段目标:训练科学素养。学生必须要在了解除臭技术原理的的基础上,结合排放要求,综合技术、经济、碳排放等因素,获得合理的运行参数。 

9、运行效果回顾

Ø  具体操作:从沼气产率、废水出水水质和排放废气的浓度三个指标对整体工艺的运行效果进行回顾检验。与系统内设的标准值比对,依次通过返回厌氧发酵系统、废水处理场景以及生物除臭单元,来检查沼气产率、废水出水以及排放臭气是否达标,并进行工艺参数的进一步优化

Ø  实验方法:互动式,设计式。学生在了解餐厨垃圾产沼潜力、废水和废弃排放标准的前提下,充分结合各处理单元的处理特点,对完整的厌氧发酵工艺进行整体的参数优化。

Ø  阶段目标:激发创新意识、训练科学素养。学生在明确资源化潜力和污染排放要求的前提下,结合所学理论知识,对工艺进行整体优化,培养学生的全局观和工艺调试优化能力。

10、系统碳排放效果评估

Ø  具体操作:以最优工况下的系统碳排放值为基准,通过比对,对学生“私人定制式”整体工艺碳排放效果进行评级。根据碳排放程度由大到小分为碳排放“大神”、“卫士”和“小白”三级。

Ø  实验方法:互动式。学生在完成整体工艺运行调试后,对其碳排放效果进行评级,前后互动,鼓励学生返回前段进一步优化各工艺环节的碳排放。

Ø  阶段目标:锻炼动手能力。以学生动手操作为主要目标,了解厌氧发酵工艺的碳排放环节和可能的碳减排节点。

上述步骤的具体分步骤、用时、赋分方法等具体如下,其中成绩以百分制计。

步骤序号

整体步骤

分步骤

步骤目标要求

步骤合理用时

目标达成度赋分模型

步骤满分

1

1平面布置及工艺设计

完成平面布置及工艺搭建,了解餐厨垃圾厌氧发酵场地平面布局要求及厌氧处理各流程工艺的顺序

15

完成平面布置并正确搭建工艺流程

20

2

2预处理系统投入使用

垃圾进料

了解接受料仓设备信息、进料原理以及完成垃圾进料+答题1

4

点击【垃圾进料】,得1

12

3

人工分选

了解分选平台设备信息并完成垃圾分选,答题2

3

点击【垃圾分选】,并点击可分选的垃圾,得1分,答题1

4

运行磁力分选设备

了解磁力分选设备信息,并完成磁力分选操作+答题3

2

点击【开启】,得1

5

运行破碎制浆机

了解破碎制浆机设备信息、运行原理,进行参数设置,完成步骤操作,答题6

2

点击【参数设置】,完成粒径调节,得1分,答题1

6

运行轻物质分选机

了解轻物质分选机设备信息、运行原理,进行参数调节,完成对轻物质得分选+答题7

3

点击【参数设置】,完成风速调节,得1

7

运行旋流除砂机

了解旋流除砂机设备信息,并启动旋流除砂机完成步骤操作,+答题8

2

点击【开启】,得1

8

运行湿热调节罐

了解湿热调节罐设备信息、运行原理,并对运行温度和时间进行参数调节完成步骤操作,答题9

3

点击【参数设置】,完成温度和时间调节,得1分,答题1

9

运行卧式螺旋三相分离机

了解卧式螺旋三相分离机设备信息、运行原理,并启动设备完成步骤操作,+答题10

3

点击【开启】,得1

10

运行碟式三相分离机

了解碟式三相分离机设备信息、运行原理,并启动设备完成步骤操作,+答题11

3

点击【开启】,得1

11

3废水资源化1:水解系统投入使用,答题12

进料

了解水解罐设备信息、运行原理,并进入参数设置页面

4

点击【参数设置】,得1

10

12

调节进料C/N

完成进料C/N比调节操作步骤

3

完成C/N调节,得2

13

调节进料pH

完成进料pH调节操作步骤

2

完成pH调节,得1

14

调节接种比率

完成接种比率调节操作步骤

2

完成接种比率调节,得1

15

调节水解温度

完成水解温度调节操作步骤

2

完成温度调节,得2

1

答题1

16

调节停留时间

完成停留时间调节操作步骤

2

完成停留时间调节,得2

17

废水资源化1:发酵系统投入使用答题11

进料

了解发酵罐设备信息、运行原理,并进入参数设置页面

4

点击【参数设置】,得1

13

18

调节进料C/N

完成进料C/N比调节操作步骤

3

完成C/N调节,得2

19

调节进料pH

完成进料pH调节操作步骤

2

完成pH调节,得1

20

调节接种比率

完成接种比率调节操作步骤

3

完成接种比率调节,得2

21

调节搅拌速度

完成搅拌速度调节操作步骤

2

完成搅拌速度调节,得2

22

调节发酵温度

完成水解温度调节操作步骤

2

完成温度调节,得2

1

答题1

23

调节停留时间

完成停留时间调节操作步骤

3

完成停留时间调节,得2

24

4废水资源化2:沼气资源化

调节碱液喷淋量

了解脱硫塔设备信息、运行原理,并进入参数设置页面,完成加药量调节操作步骤答题13

2

点击【参数设置】,完成加药量调节,得2

7

25

调节气水比

完成水气比调节操作步骤

3

完成水气比调节,得1

26

调节气体穿塔速度

完成气体穿塔速度操作步骤

2

完成气体穿塔速度调节,得1

27

点燃火炬系统(二选一)

了解火炬塔信息,完成点燃火炬操作步骤

3

点击【点燃火炬】,得3

27

沼气发电(,新增,二选一)

了沼气发电信息,完成沼气发电操作步骤

点击【开启】,得3

28

5废水资源化3:废水处理系统投入使用

启动调节池搅拌器

了解调节池设备信息,并完成启动调节池搅拌器操作步骤

1

点击【运行】,得1

8

29

补充碳源

完成碳源补充操作步骤

1

点击【运行】,并完成高浓度有机废水混合比例设置,得2

30

启动气浮池

了解气浮池设备信息,并进入参数设置界面

1

点击【参数设置】,得1

31

打开曝气设备

完成气浮池开启操作步骤

1

点击【运行】,得1

32

设置水力停留时间

完成水力停留时间调节操作步骤

2

完成水力停留时间调节,得1

33

投加絮凝剂

完成絮凝剂投加操作步骤

1

完成絮凝剂投加量调节,得1

34

设置刮渣速度

完成刮渣速度调节操作步骤

3

完成刮渣速度调节,得1

35

6油脂资源化:油脂回收投入使用,答题14

调节加热温度

了解提油罐设备信息、运行原理,进入参数设置页面,完成加热温度调节操作步骤

4

点击【参数设置】,完成加热温度调节,得1分,答题1

3

36

设置静置时间

完成静置时间调节操作步骤

2

完成静置时间调节,得1

37

7固体废物资源化:堆肥车间投入使用

调节通风量

了解好氧堆肥车间设备信息、运行原理,进入参数设置界面,完成通风量调节操作步骤

3

点击【参数设置】,完成通风量调节,得2

4

38

调节C/N

完成C/N比调节操作步骤

2

完成C/N比调节,得1

39

调节翻抛机运行速度

完成翻抛机运行速度调节操作步骤

2

完成翻抛机运行速度调节,得1

40

8生物除臭系统投入使用

调节喷淋量

了解生物除臭塔设备信息、运行原理,进入参数设置,并完成对喷淋量得调节操作步骤

4

点击【参数设置】,完成喷淋量调节,得2

3

41

调节气体停留时间

完成气体停留时间调节操作步骤

2

完成停留时间调节,得1

42

9运行效果评估

沼气产率低且不稳定

完成C/N比、进料pH、反应温度、停留时间调节操作步骤

5

沼气产率达标,得5

5

43

出水未达到设计值

完成絮凝剂投加量和水力停留时间调节操作步骤

5

出水达到设计值,得5

5

44

生物除臭系统排气不达标

完成水气比、停留时间调节,更换填料和查看烟气排放参数操作步骤

5

生物除臭系统排气达标,得5

5

45

10碳减排效应评估

5

系统碳排放效益小于或等于最佳值,得5

5

总计

135分钟

100



实验结果与结论要求

(1)  是否记录每步实验结果:■是 

(2)  实验结果与结论要求:■实验报告 ■心得体会           

(3)  其他描述:

1.餐厨垃圾厌氧发酵处理厂的3D平面布置。根据处理厂的周边环境和条件,兼顾经济性和专业性的要求,合理布置餐厨垃圾厌氧发酵处理的主要构筑物和设施,包括厂区道路、构筑物分布、绿化等部分。

2. 餐厨垃圾厌氧发酵处理方案和工艺设计。根据处理规模、排放标准等设计要求,进行餐厨垃圾处理方案和工艺设计,既要高效又要经济。包括厌氧发酵工艺、预处理单元设计等。

3.基于设定的工艺流程,进行规范的工艺设备操作,以达到设计要求。

4.针对给定的事故、波动工况,分析和排查相关故障,给出解决方案。

5.对仿真实验过程中出现的问题及时进行总结和分析,并提出相关建议。

考核要求

本项目的考核知识点要求主要包括:(1)发酵厂的主要构筑物和设施的完整性及平面布置的合理性;(2)垃圾进料、臭气收集等控制;(3)垃圾的预处理工艺及控制;(4)垃圾厌氧发酵设备构造和控制;(5)沼气提纯与利用(6)沼液沼渣的处理;(7)事故工况的原因分析及应急处理。针对以上知识点,采取形成性评价的评价方式,主要由以下几部分构成:

①实验的预习成绩。学生通过查阅资料,观看仿真视频等方式进行预习,每一步工艺和操作在项目中均已体现,并设置了特定的问题,学生可以通过反复练习,对各个知识点和工艺操作步骤加以掌握。此外,针对这些内容,实验操作过程中可以通过“自由模式”反复训练巩固。系统将根据视频观看记录给定成绩,作为实验预习成绩。

②操作成绩。学生根据教师设定的任务,在任务模式下,自主拟定工艺路线和操作方案,并完成相关操作,根据设备的调式效果记录操作成绩,同时,按照设备完成理论答题以检验知识点掌握情况。系统将根据工艺设计和运行调试的相关记录以及理论答题准确率给定成绩,作为实验操作成绩。

③学习成果测评。考察学生对餐厨垃圾厌氧发酵处理中所涉及的专业知识和实践操作技术的掌握程度。主要形式为:软件中设置的题库,教师设计的试题试卷以及随堂提问、开放性设计课题等。例如,能够根据跟定的事故现象,排查事故原因,追溯到具体的工艺设备,并提出解决方案等。

学生成绩:预习成绩*20%+操作成绩*40%+成果测评*40%

面向学生要求

(1)  专业与年级要求

化学工程与工艺、资源循环科学与工程、环境科学与工程等相关专业的大学二、三年级学生以及中专职能院校。

(2)  基本知识和能力要求

修读过《有机及分析化学》、《环境工程原理》、《固体废物处理与处置工程》等专业核心课程,具备化工基础、固体废弃物资源化利用等方面的基本理论知识及基础的计算机操作能力。
实验项目应用及共享情况

(1)    本校上线时间 :2020.9    

(2)    已服务过的本校学生人数:168  

(3)    是否纳入到教学计划: 是  

(4)    是否面向社会提供服务:是  

   社会开放时间 : 2020.10 
网络条件要求

1)说明客户端到服务器的带宽要求(需提供测试带宽服务)

上下行带宽20M以上

(2) 说明能够提供的并发响应数量(需提供在线排队提示服务)

 

非在线仿真并发响应数量 单台服务器支持1000用户

在线仿真并发数量200用户-300用户(受仿真模型规模影响)

用户操作系统要求

(1) 计算机操作系统和版本要求

    Windows server 2008 R2 以上

(2) 其他计算终端操作系统和版本要求

    Windows7,Windows10

3)支持移动端:


用户非操作系统软件配置要求

(1) 需要特定插件:

    

2)其他计算终端非操作系统软件配置要求(需说明是否可提供相关软件下载服务)

用户硬件配置要求

1)计算机硬件配置要求

    CPU:酷睿i5以上 主频:2.4GHz及以上 内存:8G 以上,推荐16G

    网卡:千兆网卡

    显卡:要求使用英伟达系列显卡,GTX1050(GTX960)以上

(2) 其他计算终端硬件配置要求

      无

用户特殊外置硬件要求
无需外置硬件
网络安全

外网访问即可

系统架构图及简要说明
实验教学项目

CPU  4 核、内存 16 GB、磁盘 100 GB、

显存  GB、GPU型号 不限

操作系统

Windows Server

数据库

SQL

实验教学项目特色

(1)实验方案设计思路:

资源循环利用是我国所倡导的可持续发展战略的重要组成部分。将废弃的餐厨垃圾经过发酵后制成清洁能源是对该战略的积极响应。本教学理念以国家发展战略为导向,将餐厨处理及资源化这种涉及“高投入”“高能耗”“高污染”“高风险”“长周期”的项目利用虚拟仿真技术,在计算机端真实呈现其工艺流程及操作模式。同时运用信息技术开展教学,使学生在虚拟仿真环境下通过全程操作全面掌握餐厨垃圾处理及资源化的关键技术,实现“OBE"理念下的学生创新能力和实践能力培养。
该虚拟仿真教学实验属于固体废物处理处置实验的一部分,其主要教学内容包括餐厨垃圾预处理、厌氧发酵资源化系统的工艺流程、设备操控、过程控制、原理知识、相关参数优化、主要设备内部构造等部分。同时在虚拟仿真教学中配以知识点测评,在学生进行仿真实验的同时,能够针对关键工艺流程和设备积极探索和自主设计,加强知识点的理解。

(2)教学方法创新:

该虚拟仿真教学实验的开设能够使学生充分理解资源循环利用的相关知识点,通过自主设计、系统联动、实时反馈实现浸入式探究学习,通过对过程参数变化、工艺搭建合理性进行及时跟踪,使每位学生能够开展平面布置,调整设备参数,观察实验现象、记录实验数据、工艺自主设计。同时,该系统形象生动,又具有一定自主设计性,通过模块之间以及模块内部的无缝衔接和充分的自主操作,能够充分将餐厨垃圾厌氧发酵处理过程全方位、真实地呈现在学生面前,并能够充分调动学生的自主创新性,真正实现以“以学生为中心”的虚拟仿真实训,集知识掌握和能力培养于一体,有效地增强了教学效果。

(3)评价体系创新:

该软件既可评价学生实验课前的预习效果,又可进行独立的课后考评,考评题目包括实验操作、工艺设计和故障排除等。这些题目既有利于学生综合素质、实验技能和工程设计能力的培养和提高。此外,该软件能对学生在餐厨垃圾厌氧发酵处理及资源化方面相关知识点的掌握情况和模拟操作能力进行客观评价,为实验室实行开放式教学、实验类课程的远程或网络化教学创造有利条件。
     (4)对传统教学的延伸与拓展:
该软件可面向于有机废物资源化利用相关的环境专业等相关的高等院校和高职院校;亦可面向于具有餐厨垃圾资源化处理需求的企业、政府管理机关咨询及培训;同时也可用于食物浪费、饮食安全的中小学生科普教育,是传统面面相授方式的延伸。

实验教学项目持续建设服务计划

(1)项目持续建设与服务计划:

     该系统将在教学实际应用过程中不断建设和跟新,在未来5年内计划将教学覆盖范围从环境工程、资源循环、生物质能开发等扩展到其他相关专业领域,并基于用户的反馈,不断更新,不断完善,力求将最先进、最前沿、最实用的餐厨垃圾处理及资源化技术带入教学中,使学生快速了解当前相关领域的发展前沿。

(2)面向高校的教学推广应用计划:

该系统既包括网络版虚拟仿真软件链接和单机版虚拟仿真软件的视频使用介绍,又包含教师、学生和管理人员不同登陆端口的教学管理系统,同时设有任务模式和自由模式两种应用模式。除了能满足校内学生网络教学的需求外,也能加大用户开放权限,进一步优化面向院内、校内、校际的用户管理结构。同时,该系统计划在20213月前能满足学院及杭州市内兄弟院校等用户的需求;在202112月前满足省内高校的网络远程教学需求。进一步地,通过平台对接与资源互通,探索区域免费开放共享机制,在未来5年内与国内其他高校或科研院所全面共享。

(3)面向社会的推广应用计划:

将持续增加与中小学、工程设计院、餐厨处理公司、环保公益组织、政府管理部门等社会群体间的资源共享和互动;增加相关教学和技术人员,使在线服务人数达到5-8人;拓宽服务器承载能力,同时在线学习人数翻倍。


知识产权

附件材料清单
申报学校承诺意见

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项目属性
  • 专业大类:环境科学与工程类
  • 所属学科:环境工程
  • 所属学校:浙江工商大学
  • 项目评分:
    (5分/10人已评)
共享应用
  • 实验浏览量:3396
  • 做实验人数:1509
  • 实验通过率:9%
  • 优秀:13人
  • 达标:125人
  • 不达标:1371人
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