《水质工程学（二）：污水处理原理、工艺设计与系统整合》教学设计（大学本科环境工程专业三年级）

《水质工程学（二）：污水处理原理、工艺设计与系统整合》教学设计（大学本科环境工程专业三年级）

  一、课程整体概述与设计理念

  本教学设计对应大学本科环境工程专业三年级核心专业课程《水质工程学（二）》。课程在学生已修读《水力学》、《环境微生物学》、《环境化学》、《水质工程学（一）（给水处理）》等先修课程的基础上，系统讲授城镇污水与典型工业废水的处理原理、核心工艺单元、系统设计与整合优化。课程设计秉持“成果导向教育（OBE）”与“工程教育专业认证”理念，以培养学生解决复杂工程问题的综合能力为核心目标。通过深度融合“科学原理-工程技术-系统设计-可持续发展”的知识链条，引导学生从“认识工艺”到“设计系统”，再到“评估与优化系统”，实现知识、能力与素养的螺旋式上升。教学过程中强调学科前沿动态（如智慧水务、能源与资源回收、新污染物控制）与工程实践案例的引入，并有机融入工程伦理、工匠精神与生态文明观等课程思政元素，旨在培养具备扎实理论基础、卓越工程设计与创新思维、高度社会责任感的新时代环境工程卓越人才。

  二、课程教学目标

  （一）知识目标

  1.深入阐述污水水质特征指标（物理、化学、生物）的内涵、相互关系及其对处理工艺选择的指导意义。

  2.系统掌握物理处理法（格栅、沉砂、沉淀、气浮、过滤）、生物处理法（活性污泥法及其变体、生物膜法、厌氧生物处理）、化学与物理化学处理法（混凝、吸附、离子交换、高级氧化）以及污泥处理与处置的基本原理、动力学基础与数学模型。

  3.精准解析典型污水处理工艺组合（如AAO、氧化沟、SBR及其变体、MBR、MBBR等）的流程构成、物料平衡、能量流向与微生物生态学特征。

  4.理解污水处理厂数字化设计与模拟软件（如GPS-X、BioWin）的基本原理，以及智慧水务框架下的过程控制与优化策略。

  5.了解新兴污染物（药物与个人护理品、内分泌干扰物等）的去除途径与挑战，以及污水处理过程能源回收（厌氧消化产沼气、微生物燃料电池）、资源回收（磷回收、水回用）的前沿技术。

  （二）能力目标

  1.工程设计与计算能力：能够根据给定进水水质、出水标准与地方条件，独立完成中等规模城镇污水处理厂的工艺比选、核心构筑物工艺参数计算、水力高程图初步设计与设备选型。

  2.系统分析与优化能力：能够运用质量守恒、反应动力学等原理，分析现有工艺系统运行问题（如污泥膨胀、脱氮除磷效率低下、能耗过高），并提出可行的工艺调控或技术改造方案。

  3.工具应用与模拟能力：初步掌握至少一种专业污水处理模拟软件的基本操作，能够建立简化工艺模型进行工况模拟与敏感性分析。

  4.团队协作与沟通能力：通过小组项目式学习（PBL），完成复杂设计任务，撰写规范的技术报告并进行专业的口头答辩。

  5.终身学习与信息整合能力：能够自主追踪污水处理领域最新技术标准（如《城镇污水处理厂污染物排放标准》修订动态）、政策导向与科研进展，并批判性地评估其工程应用潜力。

  （三）素养与价值目标

  1.树立严谨求实的科学态度与精益求精的工匠精神，深刻理解工艺参数背后的科学本质，杜绝经验主义的粗暴套用。

  2.强化工程伦理意识，在设计决策中综合考虑技术可行性、经济合理性、环境友好性及社会可接受性，坚守工程安全与公共健康的底线。

  3.深化生态文明建设使命感，理解污水处理不仅是污染治理末端，更是水资源循环与营养物质回用的关键节点，培养系统思维与可持续发展观。

  4.培养跨学科视野，主动融合环境微生物学、反应工程学、流体力学、自动控制、经济学等多学科知识解决复杂水环境问题。

  三、教学内容与重点难点

  本课程总计48学时（理论学时40，课内实践与研讨学时8），教学内容分为以下六大模块：

  模块一：污水处理系统工程导论（4学时）。重点：污水水质指标体系与排放标准体系；污水处理工艺选择的基本原则与流程。难点：水质指标间的关联及其对生物处理过程的综合影响。

  模块二：物理与化学预处理及一级处理（4学时）。重点：沉砂池、初次沉淀池的设计原理与计算；混凝在强化一级处理中的应用。难点：基于颗粒沉降特性的沉淀池优化设计。

  模块三：活性污泥法理论与工艺体系（12学时）。重点：莫诺德方程及其应用；活性污泥法基本流程物料平衡（污泥龄、负荷率）；脱氮除磷（AAO、UCT等）的生物化学原理与工艺调控；膜生物反应器（MBR）原理与膜污染控制。难点：同步硝化反硝化与短程硝化反硝化的机理与控制条件；生物除磷与化学除磷的协同与权衡。

  模块四：生物膜法及其他生物处理工艺（6学时）。重点：生物滤池、生物转盘、移动床生物膜反应器（MBBR）的原理与特征；厌氧消化（产甲烷）的三阶段理论与影响因素。难点：生物膜内传质过程对反应速率的限制；厌氧工艺的启动与稳定运行控制。

  模块五：深度处理与污泥处理处置（8学时）。重点：过滤、吸附、高级氧化等深度处理单元原理；污泥浓缩、消化、脱水、干化与最终处置的技术路线。难点：污泥厌氧消化动力学与沼气产能计算；污泥处理全过程的物质与能量流分析。

  模块六：工艺系统集成、设计与前沿专题（6学时）。重点：全厂工艺流程的整合设计与水力计算；污水处理厂提标改造技术路线；能源与资源回收技术（如厌氧氨氧化、磷回收）。难点：基于生命周期评价（LCA）与全成本分析的工艺方案比选；应对水质水量波动的弹性设计。

  课内实践与研讨（8学时）：聚焦于污水处理厂虚拟仿真设计、专业软件入门实训及典型工程案例分组研讨。

  四、教学实施过程（核心环节详述）

  本课程采用“线上线下混合式”、“理论-虚拟仿真-项目式”三位一体的教学模式。以下以“模块三：活性污泥法理论与工艺体系”中的“脱氮除磷工艺原理与设计（AAO工艺）”这一关键章节（共计6学时）为例，详细阐述教学实施过程。该章节计划分两次课完成。

  （一）第一次课：原理深化与问题探究（3学时）

  1.课前准备（线上，课前一周发布）：

  教师活动：在课程网络平台（如超星学习通、Moodle）发布预习任务包。任务包包括：（1）15分钟微课视频，回顾《环境微生物学》中硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌的代谢特征；（2）一篇关于某城市污水处理厂脱氮除磷运行困境的简要案例描述（进水碳氮比低、冬季氨氮超标）；（3）预习思考题：①传统活性污泥法为何难以高效脱氮除磷？②硝化与反硝化、释磷与吸磷过程在环境条件需求上有何矛盾？③如何通过工艺设计解决这些矛盾？

  学生活动：观看微课，阅读案例，自主查阅教材及相关资料，在平台讨论区以小组形式初步回答思考题，并提交至少一个在预习中产生的疑问。

  设计意图：激活学生已有知识，引导其发现认知冲突（即单一系统内多种微生物需求矛盾），带着问题进入课堂，实现翻转课堂的初步铺垫。

  2.课堂导入与问题聚焦（15分钟）：

  教师活动：不直接讲授原理，而是展示课前案例中污水处理厂的近一年出水水质数据图表（NH3-N、TN、TP浓度随时间变化），引导学生观察数据异常点。提问：“从微生物的角度看，哪些‘玩家’在系统中？它们各自想要什么（食物、住所、环境）？为什么在同一个‘池子’里满足不了所有‘玩家’的需求？”

  学生活动：基于预习和图表，分组讨论2分钟，派代表尝试用微生物代谢的语言描述矛盾所在（如：硝化菌要氧、要碱度，反硝化菌要碳源、不要氧；聚磷菌厌氧释磷、好氧吸磷）。

  设计意图：将工程问题转化为微生物生态学问题，用拟人化、故事化的语言降低认知门槛，激发兴趣，明确本节课核心问题——如何“时空分家”，为不同微生物创造各自适宜的环境。

  3.核心原理精讲与可视化推演（70分钟）：

  教师活动：采用“原理动画+板书推演”相结合的方式。

  第一步（动画演示）：播放高质量3D动画，动态展示AAO工艺（厌氧-缺氧-好氧）的流程，以及污水、回流污泥、混合液在三个区域的流向。动画重点显微化展示：在厌氧区，聚磷菌如何利用挥发性脂肪酸（VFA）释磷；在缺氧区，来自好氧区的硝态氮如何被反硝化菌利用碳源还原为氮气；在好氧区，硝化菌如何将氨氮氧化，同时聚磷菌超量吸磷。

  第二步（板书推演）：动画后，教师利用黑板或智能平板进行化学反应方程式和物料衡算的深度推演。

  （1）书写硝化、反硝化、聚磷反应的生化方程式，强调电子供体、受体、能量来源。

  （2）推导关键设计参数：污泥龄（θc）。通过板书演示，比较仅去除COD、硝化、以及硝化+反硝化所需的最小污泥龄和设计污泥龄，让学生直观理解脱氮对系统生物固体停留时间的要求远高于单纯碳去除。

  （3）推导碳源需求：计算反硝化所需的理论碳源量（以COD计），并与进水碳源进行对比。引入“碳氮比（C/N）”概念，通过计算揭示低碳氮比进水可能导致反硝化不彻底，自然引出碳源投加或工艺调整（如改良型AAO）的需求。

  （4）分析回流比的影响：推导内回流（硝化液回流）比与外回流（污泥回流）比对脱氮效率的数学关系，解释其物理意义，并讨论回流比过大带来的能耗与搅拌问题。

  学生活动：跟随动画理解宏观流程与微观机理，跟随教师推演进行同步计算与笔记，针对推导过程中的关键步骤（如污泥龄计算公式的假设条件）随时提问。

  设计意图：动画解决“是什么”和“如何运行”的直观认知；板书推演解决“为什么”和“如何定量设计”的深层逻辑。将抽象的微生物过程与可计算的工程参数紧密挂钩，培养学生“定性理解-定量分析”的工程思维习惯。

  4.课堂即时评估与小结（5分钟）：

  教师活动：发布一道选择题和一道简答题到课堂互动系统（如雨课堂）。选择题考察对AAO各区功能的识别；简答题要求简述低碳氮比污水对AAO工艺运行的影响及两种应对思路。当堂显示答题统计，针对错误率高的选项进行即时讲解。

  学生活动：通过手机或终端完成答题，查看解析。

  设计意图：及时检测教学目标达成度，为教师调整后续教学节奏提供依据，巩固当堂核心知识点。

  （二）第二次课：设计实践与系统拓展（3学时）

  1.回顾与衔接（10分钟）：

  教师活动：简要回顾上节课原理，展示一个简化的设计任务书：设计日处理规模5万吨的城镇污水厂，采用AAO工艺，给定进水水质（COD、BOD5、TN、TP、SS等）和一级A排放标准。提问：“基于上节课的原理，我们设计AAO系统，需要依次确定哪些关键参数？其逻辑顺序是什么？”

  学生活动：分组讨论，尝试列出设计步骤清单（如：确定设计流量→选择污泥龄→计算反应池容积→计算污泥产量→计算需氧量→计算碳源需要量→确定回流比等）。

  设计意图：从原理学习自然过渡到设计应用，引导学生建立系统化、程序化的设计思维框架。

  2.分组项目式设计实训（80分钟）：

  教师活动：将学生分为4-6人小组，每组配备设计手册、计算器、绘图工具。教师扮演“咨询顾问”角色，巡视各组，不直接给出答案，而是通过提问引导：“你们选择的污泥龄是基于什么考虑？”“计算出的缺氧区容积足够完成反硝化吗？如何验证？”“考虑管道和水头损失，你们设想的水力流程是怎样的？”

  同时，教师引入一项“干扰因素”：在课程进行到一半时，向所有小组发布一条“设计变更通知”，模拟实际工程中常见的甲方需求变化，例如：“根据最新规划，进水TP浓度比原设计值升高20%，请评估对现有设计方案的影响并提出调整措施。”

  学生活动：小组协作，按照设计步骤进行计算、讨论与决策。需要完成的任务包括：（1）主要构筑物（厌氧池、缺氧池、好氧池）的容积计算；（2）理论需氧量、碳源投加量估算；（3）绘制简单的工艺流程图（PFD）与平面布置草图。在接到“设计变更”后，需快速讨论并修正方案，可能涉及调整各池容比例、考虑化学除磷辅助等。

  设计意图：通过真实的、带有不确定性的设计任务，驱动学生主动应用知识，在协作中学习妥协与决策，培养解决复杂工程问题的综合能力。“设计变更”环节旨在模拟工程现实，锻炼学生的应变与系统调整能力。

  3.虚拟仿真与方案验证（30分钟）：

  教师活动：指导学生登录污水处理厂虚拟仿真实验平台。各小组将自行计算的主要设计参数（如池容、回流比、污泥浓度）输入简化模型。

  学生活动：运行仿真，观察在不同工况（如正常进水、雨季流量增大、冬季水温降低）下，仿真系统的出水水质是否达标。对比各小组不同设计方案（如选择不同污泥龄或池容分配）的运行效果与能耗模拟数据。分析自己设计方案的优势与潜在风险。

  设计意图：将“纸面设计”转化为“动态模拟”，使学生即时看到设计决策的后果，加深对参数间动态关联的理解。仿真平台提供了低成本试错的机会，强化了工程实践的沉浸感。

  4.｜专家连线与前沿对话（20分钟，可线上进行）：

  教师活动：提前预约一位来自设计院或大型污水厂的资深工程师（行业专家）。在课堂上进行视频连线。专家首先对各小组设计方案中的共性问题进行简要点评，然后分享一个真实的AAO工艺提标改造或优化运行案例，重点讲述理论设计与实际运行之间的差距及其弥合方法（如仪表控制策略、季节性调控方案）。

  学生活动：聆听专家点评与案例，并结合自己的设计体验，向专家提问。问题可涉及设计冗余度的把握、智能控制的应用、实际运行中的难点等。

  设计意图：打通“最后一公里”，将课堂理论与鲜活的工程实践、行业前沿直接对接。专家的视角能极大提升课程的专业性与吸引力，帮助学生树立职业认同感，了解行业真实需求。

  5.课后延伸与个性化学习：

  教师活动：布置分层作业。（1）基础作业：完成AAO工艺设计计算书的整理与规范撰写。（2）拓展作业（选做）：针对“设计变更”中提到的强化除磷需求，撰写一篇小报告，比较生物除磷强化策略（如侧流除磷）与化学辅助除磷的优劣。（3）挑战任务（供学有余力学生）：利用开源或教学版专业模拟软件（如SUMO），尝试建立更精细的AAO模型，探究溶解氧浓度对同步硝化反硝化（SND）的影响。

  同时，在课程平台推送关于“厌氧氨氧化（Anammox）在主流污水处理中的应用挑战”、“污水处理厂碳中和运行路径”的前沿综述文章。

  学生活动：根据自身兴趣与能力选择完成作业，阅读拓展材料，并在平台讨论区分享心得或提出新问题。

  设计意图：满足不同层次学生的学习需求，鼓励深度学习与自主探索，将学习从课堂延伸至课外，培养学生终身学习的习惯。

  五、教学评价与反馈机制

  本课程采用“过程性评价与终结性评价相结合、定量评价与定性评价相结合”的多元评价体系，旨在全面评估学生的学习成果与能力成长。

  （一）评价构成与权重

  1.过程性评价（占总评成绩的50%）：

  （1）线上学习表现（10%）：包括预习任务完成度、在线讨论参与质量、阶段性在线测验成绩。

  （2）课堂参与与表现（15%）：包括课堂问答、互动答题、小组讨论贡献度。利用课堂互动软件的记录功能进行量化辅助。

  （3）小组项目作业（25%）：包括前述的AAO工艺设计任务在内的2-3次阶段性小组项目。评价依据为项目报告（规范性、完整性、创新性）、口头答辩表现（表达、逻辑、应变）以及组内互评（体现成员贡献差异）。

  2.终结性评价（占总评成绩的50%）：

  期末考试，采用闭卷形式。试卷结构为：基本概念与原理辨析题（20%）、工艺计算与设计题（40%）、系统分析与案例综合题（40%）。重点考核学生运用知识解决复杂、开放性工程问题的能力，减少对死记硬背的考查。

  （二）反馈机制

  1.即时反馈：课堂互动答题后系统自动解析；课堂巡视中教师对小组的个别指导；虚拟仿真运行结果即时呈现。

  2.延时反馈：所有作业、项目报告均在提交后一周内批改返回，附有详细的评语和改进建议，不仅指出错误，更说明原因和提升方向。

  3.阶段性反馈：在课程中期，进行一次匿名学习情况问卷调查，了解学生学习难点与对教学的建议，并据此调整后续教学节奏与策略。

  4.终结性反馈：课程结束后，对期末试卷进行全面的知识点与能力点得分分析，形成课程目标达成度评价报告，用于指导下一轮课程的持续改进。

  六、教学资源与学习环境

  （一）主要教材与参考书目

  1.主要教材：《水质工程学》（下册），经典国家级规划教材，系统全面。

  2.参考书目：《废水工程：处理与回用》（MetcalfEddy著，英文影印版），国际经典著作；《活性污泥数学模型》，深入机理；《污水处理厂设计与运行》系列实用手册。

  （二）数字化资源

  1.自建在线课程网站：