本虚拟仿真实验软件以目前亚洲最先进的垃圾焚烧厂之一（上海康恒环境宁波明州环境能源有限公司）为原型进行建模仿真，基于动态过程仿真软件运行平台开发，利用虚拟现实技术，以垃圾焚烧处理厂车间环境和具体操作工艺为仿真对象，运用二、三维交互的产品表现，构建垃圾焚烧过程模拟，处理过程灵活满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》、《大气污染物排放标准》、《污水综合排放标准》等最新或自定义更严格环境排放标准。工艺流程中以炉排炉为焚烧炉主体，囊括垃圾分选、垃圾焚烧、烟气处理模块、渗滤液处理模块、灰渣处理及毒理学检验模块等工艺过程，具体如下图所示。
图11 垃圾焚烧完整的原始工艺流程
基于该工艺流程，按焚烧过程具体操作规程，共包括以下八部分内容共17步操作步骤，其中，学生互动可操作部分共五部分11步操作步骤，其余为可拓展步骤（不作为实验操作步骤），总共约3个课时。详细步骤导航如图12所示，各步骤按模块顺序分述如下。
图12 实验步骤导航
（根据顺序分为八个模块，每个模块内步骤若干，阿拉伯数字为可操作步骤的顺序，其中红色背景模块及对应红色字体步骤为可拓展部分，其余均为互动可操作部分）
一、互动可操作步骤
1、垃圾分选
步骤具体操作：根据实验预设参数，包括全部垃圾分选、部分垃圾分选、部分组分分选等实验情景，学生需根据不同情景进行具体操作，启动垃圾分选设备进行分选。共有3种分类情景可操作，对应获得3种入炉焚烧的垃圾组分。
步骤实施方法：设计式。学生根据教师的实验题设，虚实结合，在之前已进行过的“垃圾组分分选特性”、“垃圾收集路线设计”等实验的基础上，充分了解了垃圾组分特征后，自己设计垃圾分选情景，形成后续焚烧条件。
步骤拟达目标：锻炼动手能力。实验材料通过学生“做出来”，充分发挥学生的主观能动性并锻炼动手能力。
图13 仿真软件垃圾分选过程
图14 前续学习的“垃圾收集路线设计”实验报告
图15 前续学习的“垃圾滚筒筛分选”实验
2、分选计量
具体操作：根据分选操作，计量不同分选组分，记录进入垃圾储坑的垃圾组分特征，计算进入垃圾焚烧进料储坑百分比，并结合给定的垃圾原始组分信息，获取进入垃圾焚烧进料储坑的垃圾质量及成分特征。共有3种分类情景对应下的塑料、纸类、金属、其他混合组分等4类信息及对应量可分别通过实验获得。
图16 垃圾抓斗投料入焚烧炉
实施方法：互动式。学生根据步骤1的分选情况，同时结合前续学习过的“滚筒筛垃圾分选”和“垃圾收集路线设计”实验，前后结果联动、互动，加深认识并巩固知识点，同时对应记录垃圾分选结果，形成完整的垃圾分类操作。
拟达目标：锻炼动手能力。与步骤1类似，进入垃圾焚烧炉的实验材料通过学生“做出来”，充分锻炼动手能力。
3、烟气净化工艺路线构建
具体操作：根据垃圾分选结果，明确不同分选后进入垃圾焚烧炉产生的烟气组分，以该不同特点的烟气为实验题设，结合认知实习过程中对烟气净化以及理论课程中烟气净化原理，在虚拟仿真软件系统工艺单元库中选择合适的工艺模块，构建适合于不同特点烟气的净化流程。基于该三种不同烟气成分，在设定排放标准的前提下，学生有无限种工艺可构建。
实施方法：设计式、构建式。学生根据垃圾分选而产生的烟气组分差异（详见预设参数），综合分析判断，设计并构建适合于不同烟气净化要求的工艺流程。
拟达目标：训练科学素养、锻炼动手能力。学生必须要对烟气组分进行分析、判断，结合之前理论学习过程中各烟气净化单元的原理，分析设计出合适的烟气处理工序。此外，在各工序确定后，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，可显著锻炼动手能力。
图17 烟气处理工艺流程构建过程
4、烟气净化工艺操作参数的调整
具体操作：根据步骤3构建的工艺流程，结合烟气波动变化特征和排放标准要求，可根据课时分别设定国家标准、欧盟标准等各种不同蓝色焚烧排放标准。在各排放标准前提下，学生需要对所构建的工艺流程的参数进行单元调整以满足要求。每一种标准下，学生可调整的参数取决于所构建的工艺流程中工序单元的数量，学生有无限种可能的操作。
实施方法：设计式。学生根据烟气净化后的排放要求，设计各处理单元的最佳工艺操作参数。
拟达目标：训练科学素养。学生必须要在学习了烟气净化原理的基础上，非常清楚地明确净化单元参数调整的空间，得出科学的运行参数。
图18 烟气处理工艺优化过程动态响应
5、烟气净化工艺操作参数的最优化
具体操作：在步骤4调整好的工艺参数基础上，从节能、降耗、减排的角度，对工艺参数进一步优化调整，使烟气最终达到排放标准的同时方案最优。该步骤中，学生可根据流程处理后烟气成分结果的实时反馈，在软件界面不断调整各个工序的参数，组合优化成最终方案，参数优化同样取决于所构建的工艺流程中工序单元的数量，学生有无限种可能的操作。
实施方法：设计式。学生在烟气净化后满足排放要求的前提下，充分结合各处理单元的处理特点，设计优化各处理单元的最佳工艺操作参数。
拟达目标：激发创新意识、训练科学素养。学生在步骤4的基础上，创新性地优化各个单元及参数，得出属于自己的“私人订制”式工艺。
例：增加前段脱酸工艺、如旋转喷雾干燥法中石灰浆喷入量，观察湿式脱酸塔入口和尾气中SO2和HCl浓度的变化，喷入量过大时，SO2和HCl浓度的降低并不明显，且浆液无法在脱酸塔中干燥，造成运行错误；此外在同一排放要求下，调整旋转喷雾干燥法的石灰石用量及实施脱酸塔中的NaOH流量，计算成本，选择成本较低的工艺参数。
6、渗滤液处理工艺构建
具体操作：按照不同垃圾分类后进入垃圾储坑堆存而产生的实际渗滤液水质水量，在“预处理、厌氧池、脱气沉淀池、二级反硝化/硝化、超滤系统、纳滤系统、反渗透系统、清水池”等工艺库中选择一种或多种工艺，将其拖入组装界面，并用管路将其连接。运行组装的工艺路线，测试管路连接方式是否正确，工艺路线能否正常运行，并观察出水中污染物的浓度，是否符合设定的出水要求。该步骤共有3种情景的渗滤液水质水量可以作为试验条件，每一种情景下渗滤液的处理流程均可长、可短、可复杂、可简练，学生有无限种可能的操作。
图19组装后废水处理工艺3D画面（局部）
实施方法：设计式。学生在了解水质水量的前提下，充分结合各处理单元的处理特点，构建完整的渗滤液处理工艺。
拟达目标：激发创新意识、训练科学素养。学生必须根据给定的水质水量信息，结合所学理论知识设计并构建出合理的处理工艺。
7、水质波动情景下构建工艺的优化
具体操作：根据烟气处理流程及周期，将单一的渗滤液进水调整为渗滤液与烟气脱酸废水混合的综合废水，在既定组装工艺基础上计算，通过增加处理单元或增配处理构筑物等优化组装废水处理工艺。运行优化后的组装工艺，视出水中污染物的浓度符合设定的出水要求与否进行反馈调整运行工艺参数，直至满足要求。该步骤中，每一种水质波动情景下，学生在步骤5中所构建的处理工艺均可进行无限种可能的构建组合优化，最终以达标为唯一评价标准。
实施方法：设计式。学生在了解水质水量的前提下，充分结合各处理单元的处理特点，对构建完整的渗滤液处理工艺进行构建组合优化。
拟达目标：激发创新意识、训练科学素养。学生在给定的水质水量信息前提下，结合所学理论知识，对步骤5构建好的工艺进行进一步优化。
图20 工艺优化调整后各工序水质
例：垃圾渗滤液水质波动范围大，表观特征呈灰黑色、浑浊度高，具有刺激性恶臭。水质指标在CODCr :20000~75000 mg/l，NH4-N : 1500~2500 mg/l，SS:5000~15000 mg/l范围内调整，处理水量按1000 m3/d不变，通过调整进水水质和其他运行工艺参数，可以得到不同的出水效果。
8、出水及产泥等二次污染控制
具体操作：根据垃圾焚烧厂高标准运行要求，厂内废水实现零排放，其中垃圾渗滤液（及脱酸废水）经处理达到《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T19923-2005）中敞开式循环冷却水系统补充水标准后回用于厂区循环冷却塔作补水，正确运行除臭系统、加药系统、污泥脱水及输送系统、沼气入炉系统、渗滤液回喷系统等辅助系统，打通出水回用、浓缩液回喷处置、产泥干化的闭路处理流程，实现废水处理流程的出水零排放及二次污染控制。该步骤学生可操作内容主要是分配水的回用途径，设计水、泥的物质流信息，共4种。
图21废水深度处理系统（纳滤及反渗透）
实施方法：互动式、设计式。学生在按前面5、6步骤的渗滤液处理的前提下，充分了解对应产生的出水水质特点及产泥性质，前后联动，构建完整的水、泥去向策略，使渗滤液处理形成回路，达到“蓝色焚烧”的渗滤液近零排放要求。
拟达目标：锻炼动手能力。学生在自己前面做出来的出水、出泥性质的基础上下，结合之前《水污染控制工程》相关认知实习和理论知识，自己动手为出水回用分配、出泥处置进行针对性操作。
9、灰渣浸提液制备
具体操作：以《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法HJ/T 300-2007》进行“灰渣毒性浸出”操作（图22），共有飞灰、炉渣和稳定化飞灰3种样品可操作。
实施方法：互动式。学生在完成垃圾焚烧后得到对应的灰渣样品，根据灰渣样品的性质特点，根据标准方法进行浸提液的制备，前后互动，为后续毒理学检测提供样品。
拟达目标：锻炼动手能力。以学生动手操作为主要目标，掌握毒理学检验所需样品的制备过程。
图22灰渣浸出毒性检测方案
10、灰渣浸提液急性毒性检测
具体操作：根据《水质急性毒性的测定发光细菌法GB/T 15441-1995》对步骤9所制备的飞灰、稳定化飞灰和炉渣的毒性浸出液，检测其发光度，获得半数效应浓度（EC50）和毒性水平分类值（Toxicity Unit，TU）结果，评价毒性等级。共有三种样品可进行检测操作。
实施方法：互动式。前后互动，完成毒理学检验的全流程操作。
拟达目标：锻炼动手能力。以学生动手操作为主要目标，掌握毒理学检验具体的检测过程。
例：依次通过发光细菌冻干菌复苏、灰渣浸提液样品稀释浓度选择探测试验、参比毒物系列实验、复苏菌液样品测试、有色样品测定干扰校正、EC50表达样品毒性等程序，建立灰渣浸提液稀释浓度（C，g/L）与其相对发光度（LIR）均值的关系曲线，计算EC50值和毒性水平分类值（TU%）=1/EC50，明确灰渣的毒性特征，为后续处置提供依据。
11、停炉及灰渣处置
具体操作：在完成焚烧过程控制及烟气净化、渗滤液处理和灰渣毒性检测后，将焚烧炉停炉，同时根据灰渣的毒理学检测结果明确后续处置要求，完成垃圾焚烧全流程。共有停炉、炉渣及稳定化飞灰处置、飞灰安全处置3种操作点。
实施方法：互动式。前后互动，完成焚烧的收尾工作，结束全流程。
拟达目标：锻炼动手能力。以学生动手操作为主要目标，结合认知实习过程中对焚烧炉的结构学习，了解停炉操作，同时根据灰渣毒性特征，完成处置操作。
例：接到停炉指令后，逐步减少垃圾负荷，根据垃圾负荷情况及时调整好给水量，保持汽温、水位正常；确认落料溜槽无垃圾，推料器可切换长行程推料，推料平台垃圾已全部推净停止推料，炉排上的垃圾通过三驱调节燃烧，确保炉排上的垃圾燃尽；根据炉膛情况调整风量；主汽温度降低时，适当关小减温水甚至关闭减温水；关停风机；冷却锅炉。根据飞灰、稳定化飞灰和炉渣的毒理学检验结果，分别对灰渣进行差别化收集和处理。其中，炉渣属于一般工业固体废物，按普通废物要求进行收集和运输并外送综合利用或填埋处理；飞灰和稳定化飞灰以毒理学检验结果为准，如属于危险废物则按危险废物暂存要求收集之后外送有资质单位进行安全处置，如属于一般工业废物则参照炉渣流程进行。
二、可拓展步骤
在上述11个互动可操作步骤的过程中，涉及到一些可拓展步骤，学生可一并学习、了解，分述如下：
1、垃圾车计重信息获取：垃圾车自厂外通过进厂闸机等候，开启通行闸机后，垃圾车进入厂内。采集信息系统采集完车牌、车型信息后，将垃圾车驶入闸机后的地磅，收集车辆重量信息后放行。
2、垃圾车卸车：垃圾车进入卸料大厅后于卷帘门前等候，待卷帘门提示灯变绿后，开启卷帘门，倒车进入卸车平台，将垃圾车卸空。卸空车辆出卸料大厅后通过地磅，再次采集空车重量信息并核对车牌车型信息后放行。
3、观察焚烧炉：通过3D演示和文字说明了解机械炉排焚烧炉料斗、燃烧室基本构造，观察机械炉排的运动方式及其作用；
4、点火：启动引风机，吹扫10min后，将炉膛负压调整为10-30Pa；启动冷却风机和密封风机；启动天然气燃烧器进行升温，待炉膛温度达到300oC且至少恒温1h后，采用边角料开始人工点火，调整风量。焚烧炉点火时间一般为10-12h，点火完成后，炉膛温度为850-1050oC，排烟温度在200-250oC，氧量在6-10%。
5、抓斗进料：以进料平台上的视角，通过调节相关按钮，实现垃圾抓斗的灵活操作。在料坑的不同位置，通过抓斗抓取不同位置的垃圾物料，投入焚烧炉料斗中。垃圾经液压式推料机按设定速度加入炉内，观察并记录不同物料投入后焚烧炉火苗及烟气污染物的变化情况；同一物料抓取不同的数量，观察并记录其投入后焚烧炉火苗及烟气污染物的变化情况。
6、焚烧炉工况控制：在保证垃圾稳定进料的情况下，调整一次给风量、烟气停留时间、二次给风量等，观察并记录温度、过剩空气率、停留时间、湍流程度等对焚烧火苗的影响，记录相应稳定状态下烟气污染物组分信息。
经过上述11个互动可操作步骤的操作以及6个可拓展步骤的同步操作和学习，使学生能反复训练，牢固掌握垃圾焚烧操作，建立“蓝色焚烧”的先进理念。
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