本项目引进最新的虚拟仿真技术，以真实的易腐垃圾厌氧消化标杆工程项目为原型，结合新工科人才培养的要求，采用“实训、互动、创新”的理念，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、食品科学与工程、环境科学与工程、能源工程及其相关专业的同学提供了一个从综合设计到运维管理的高仿真、高交互式和全程参与式的绿能回收虚拟操作平台。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）了解和掌握厌氧消化的基本流程和操作规范；

（2）深入理解传质、分离及厌氧消化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维调试能力；

（4）理解垃圾分类原料品质、设备操作参数、工艺流程设计等对整个系统碳排放的影响，从而刻蚀垃圾分类责任、绿色青山就是金山银山、团队合作等课程思政点。

（5）提高学生解决复杂工程问题的综合研究和创新能力。

（1）实验所属课程课时：  32学时 

（1）实验原理(限1000字以内)

面向绿能回收的易腐垃圾厌氧消化是一个系统工程，包括预处理系统、厌氧产沼系统、绿能回收系统、二次污染控制系统和除臭5个系统，如下图3所示。

图3易腐垃圾厌氧消化处理流程图

从实验原理上而言，厌氧消化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，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。

知识点：共6个

1.厌氧消化工艺类型：不同厌氧消化分类方式，工艺类型不同。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.预处理系统：为了提高厌氧系统的产沼率及其稳定性，需要进行预处理，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，不同的垃圾品质预处理环节不同。例如，垃圾品质较差，需要选择如下的预处理工艺

图4 厌氧消化的预处理工艺

3.厌氧消化的影响因素：在厌氧消化过程中影响沼气（主要是氢气和甲烷）产生过程的因素很多，主要包括pH、有机负荷、微量元素等，需要通过物料配比进行实时控制。例如，pH会影响微生物活性进而影响厌氧进程和效能，一般pH 6.5~7.8最适合厌氧产甲烷过程，当pH低于4时产气基本停止。

4. 绿能回收：主要包括沼气利用和油脂回收两部分，其中，为了避免锅炉腐蚀或烟气达标排放，沼气在进入沼气锅炉或火炬利用途径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％；油脂回收：为了减轻后续处理负担，回收高价值的资源化产品粗油脂，需要设置专门的油脂回收工艺。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%，其常用的油脂回收工艺如下图5所示。

图5废弃油脂回收工艺

5.沼渣沼液二次污染控制：厌氧消化处理后会产生沼液沼渣等二次污染物。其中，沼液需要经过相应的水处理工艺进行达标排放，而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）进行分解代谢（氧化还原过程）和合成代谢（生物合成过程），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。

6.生物除臭系统。在易腐垃圾垃圾预处理、沼渣堆肥和油脂回收等车间产生的臭气需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。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

本实验系统根据实际工程的车间和空间布局进行真实还原，学生可通过飞行或漫游模式纵览厂区的空间布局，如下图6所示。

图6厌氧消化罐区一览图（飞行模式下）

同时，针对系统的核心设备厌氧消化罐，在本项目建设过程中，消化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%，其具体的管线和物料泵送调节示意图如图7所示。

图7厌氧消化罐的物料调节管线与泵送示意图

另外，在参数调节效果仿真度上，本系统根据实际工程的中控系统操作界面进行具象化和结果反馈实时化。相关参数调节后，实际工程效果如产气效果和碳排放结果进行实时显示，图8为发酵罐的参数调节效果示意图。从而让学生能够及时深刻地感受到运维管控的效果，增加互动性。

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

2、软件

（1）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：

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、垃圾分类等热点社会问题，了解易腐垃圾可能与哪些垃圾组分混合，且其是如何进行资源回收，垃圾与废水、废气输送有何区别等感统上的学习。

图9易腐垃圾输送和分选平台照片

其次，在2D仿真模块中通过易腐垃圾厌氧消化系统中工艺环节的组合训练，训练针对不同预处理工艺目标和需求的设计和开发能力。

图10 组装式厌氧消化工艺设计操作界面

最后，通过工艺单元设备选型、构造等的3D互动学习，学会调节设备工艺参数，掌握易腐垃圾厌氧消化的工艺操作、运行管理等基本技能和方法，从而培养学习者针对易腐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：关于学生学习易腐垃圾厌氧消化系统的基本流程和操作规范的教学方法。

使用目的：克服在易腐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不便于管理等缺点。加强学生对厌氧消化原理的理解，理解影响易腐垃圾厌氧消化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。

图11易腐垃圾2D工艺流程展示&厂区3D效果

实施效果：学生普遍反映虚拟仿真教学方法生动形象，对易腐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。

实验方法：

SHAPE \* MERGEFORMAT

图12 实验方法流程

（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：
       （a）在工艺设计方面，物料不同，工艺路线不同。如：从垃圾品质源头而言，选择的分类易腐垃圾组分不同，其预处理工艺设备和运行结果不同。工艺类型不同，调试设备不同。从厌氧消化主工艺而言，选择的厌氧消化类型不同，其对应的工艺路线搭建要求不同，后续所需调节的设备亦有所区别。如下若选择干式单相消化工艺，其水解罐设备不需要进行参数调节。
     （b）在设备运维方面，不同设备操作参数下运维效果不同，尤其是针对一些关键性操作参数，如厌氧发酵罐的pH，若pH不合适，整个系统不产气，只有首先把pH调整在合适范围内，调节其他参数才有意义；另外，不同操作参数下各环节的碳排放不同，最终导致整个系统的碳排放差异，根据系统的碳排放情况，设置碳减排“小白”和“大神”称号，通过赋予荣誉称号的方式提升学生的兴趣度和成就感。

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认知；（2）垃圾的预处理工艺及控制；（3）垃圾厌氧发酵设备构造和控制；（4）沼气提纯与利用（5）沼液沼渣的处理；（6）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。

（1）专业与年级要求

化学工程与工艺、资源循环科学与工程、食品科学与工程、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

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。

（1）本校上线时间 ：  2020年9 月1日 （上传系统日志，要求与实验已开设期次数据保持一致）

（2）已服务过的学生人数：本校334人，外校355人

（3）是否面向社会提供服务：●是  ○否

（4）社会开放时间：  2022 年5 月 20  日

（1）客户端到服务器的带宽要求：上下行带宽20M以上

（2）能够提供的并发响应数量：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）

（1）   计算机操作系统和版本要求：64位的Win7，Win8，Win10系统及以上版本操作系统。

（2）   其他计算终端操作系统和版本要求：无。

（3）   不支持移动端

（1）非操作系统软件要求（支持2种及以上主流浏览器）：谷歌浏览器，火狐浏览器 

（2）不需要特定插件
（3）其他计算终端非操作系统软件配置要求：浏览器：64位Chrome65以上（推荐），64位Firefox56以上，可提供下载。

（1）计算机硬件配置要求

CPU：i5-7500以上 内存：8G及以上 硬盘：500G以上 显卡：GeForce GTX960 及以上

（2）其他计算终端硬件配置要求

无

（1）计算机特殊外置硬件要求

       无

（2）其他计算终端特殊外置硬件要求：●无 ○有

（1）设计思路创新

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。将废弃的易腐垃圾经过厌氧消化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，将易腐垃圾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易腐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垃圾预处理、厌氧消化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，能够充分将易腐垃圾厌氧消化处理过程全方位、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，该软件能对学生在易腐垃圾厌氧消化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、食品、资源开发类专业等相关的高等院校和高职院校；亦可面向于具有易腐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。

1）课程持续建设

  其他描述：

本虚拟仿真实验已经在我院环境工程和环境科学专业进行了三年使用，在国内部分兄弟院校进行了一年的使用，得到的反馈意见在应用期间将不断持续改进。学院也承诺每年持续从实验室运行经费中投入不少于5万元用于本实验项目的推广与完善，推动与全国其他高等院校共建、开放、共享虚拟仿真实验教学资源。

此外，需要特别说明的是，本实验是我院规划的环境工程课程虚拟仿真实验的一部分，具有扩展性强的特点。在本实验平台基础上，我们将不断完善优化的课程知识和能力培养框架，例如将该实验的能力培养范围由工程知识应用扩展到工艺技术必选设计等领域，使该实验从《固废处理处置工程》扩展到《毕业设计》课程甚至其他专业课程，形成具有特色的固体废物虚拟仿真课程群，此项工作已经进入建设阶段。

（2）面向高校、社会的教学推广应用计划
     （a）面向高校的教学推广应用计划

该系统既包括针对网络版虚拟仿真软件链接，又将持续开发完善教师、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。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年内将与国内其他高校或科研院所全面共享。

（b）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、餐厨等有机废弃物厌氧处理公司、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，以支撑在线学习人数翻倍。

本团队承诺：申报课程的实验教学设计具有一定的原创性，课程所属学校对本实验课程内容（包括但不限于实验软件、操作系统、教学视频、教学课件、辅助参考资料、实验操作手册、实验案例、测验试题、实验报告、答疑、网页宣传图片文字等组成本实验课程的一切资源）享有著作权，保证所申报的课程或其任何一部分均不会侵犯任何第三方的合法权益。