水处理混凝过程虚拟仿真实验
水处理混凝实验作为《水质工程学》中的重点内容，由于实验操作过程周期长，实验操作具有不可逆性，实验设备和操作空间占用量较大，本科学生只能以小组进行开放教学，难以对每一个本科学生进行开放教学，从而使学生对混凝实验缺乏基本技能训练和切身体会。同时，混凝过程涉及多种复杂的颗粒运动过程，变化细小，概念抽象，混凝过程“矾花”的观察效果不明显，至今都未有关于混凝机理的模拟动画或者视频素材可用于理论教学中，混凝机理一直都是《水质工程学》教学中的难点内容。
本实验目的如下：
（1）通过虚拟仿真实验项目将混凝实验的整个过程转化为直观、可控的仿真模拟图形并深入浅出地展开实验，掌握混凝实验的基本操作方法，掌握光电浊度仪、激光粒度仪的测试方法。
（2）能够通过进行不同类型混凝剂的设计性实验，选择最优混凝剂和最佳投药量，掌握求得水样最佳混凝条件（投药量、pH、速度梯度）的基本方法。
（3）观察絮凝体（俗称矾花）的形成过程及混凝沉淀效果，使学生能在实验过程中逐步理解混凝形成的过程，同时利用形象、具体的仿真模拟动画展示混凝机理，将抽象概念简单化、具体化呈现。
（1）学生交互性操作步骤：
共14 步
| 序号 |
步骤名称 （100字以内） |
步骤目标要求 （100字以内） |
步骤合理用时 （分钟） |
目标达成度赋分模型 （200字以内） |
步骤满分 | 成绩类型 |
|---|
（2）交互性步骤详细说明：
本实验项目以《水质工程学》基础实验——混凝实验为原型，进行模型仿真。基于动态过程仿真运行平台开发，利用虚拟仿真技术，对混凝实验的整个实验流程进行高度还原，并且在实验过程导入混凝机理的动画模拟，结合浊度仪和颗粒分布测试仪进行实验结果分析，能在短时间内对实验进行多组设计性实验，可快速得到实验结果，设计形式灵活多变，充分发挥学生的自主学习性。
基于混凝实验的步骤流程，将实验体系分为四大模块，按顺序分述如下：
（1）实验原理学习模式
实验相关的原理主要包括混凝的三个知识点，分别如下所示：
1）混凝的去除对象
2）胶体的双电层结构
3）混凝机理
（2）混凝机理动画模拟
混凝机理主要分为电性中和、吸附架桥作用和网捕、卷扫作用。本模块利用3D仿真模拟动画真实呈现胶体颗粒之间的微观运动，提高学生对理论知识点的理解，并且可以在实验操作过程中随时查看知识点和机理动画，做到实验与教学理论相结合。混凝机理的动画模拟如下图3所示。
图3 混凝机理的动画模拟
（3）混凝沉淀实验仿真模拟
该模块通过虚拟仿真实验项目将混凝沉淀实验的整个过程转化为直观、可控的仿真模拟图形并深入浅出地展开实验，掌握混凝沉淀实验的基本操作方法，掌握光电浊度仪、激光粒度仪的测试方法。整个混凝沉淀实验完成后，将每个阶段取得的样品进行浊度仪和激光粒度测试仪的测试，分别检测样品的矾花粒径分布和剩余浊度测试。最终将实验所得的数据进行数据处理，生成实验报告。具体实验操作步骤如下：
1) 打开虚拟仿真实验平台：
通过客户端或登录虚拟仿真实验教学平台进行实验：http://portal.gzhu.owvlab.net/virexp/hncd，如图4所示。
图4 仿真系统登录界面
2) 进入实验界面：
鼠标点击“开始实验”按钮，进入实验操作界面，如图5所示。
图5 仿真系统启动实验界面
3) 取水样：
鼠标点击量筒，使用1000mL量筒将水样依次加入6个1000mL烧杯中，并且设置原水浊度、原水水温和原水pH值，如图6所示。
图6 取水样过程
4) 选择混凝剂，设计投药梯度：
鼠标选取硫酸铝、三氯化铁和PAC三种混凝剂中的一种，输入实验方案中设置好的投药范围和梯度，利用控制变量法进行多组实验，已达到最终获得最佳混凝剂和最优投药范围。学生可以通过调节不同的投药量，输入设置投药梯度的表格，并且实时获得剩余浊度的实验数据，不断缩小投药范围的设置，对比分析不同混凝剂的最优投药范围，如图7所示。
图7 选择混凝剂操作界面
5) 启动仪器，设置搅拌程序：
启动仪器，点击混凝试剂搅拌仪器的程序设置界面，设置慢速搅拌、中速搅拌、快速搅拌和停止搅拌四个阶段的时间和转速，探讨不同的搅拌程序对混凝效果的影响，如图8所示。
图8 设置搅拌程序操作界面
6) 加药：
选择混凝剂，点击移液枪，把设计好的投药量分别加入仪器的投药管中，如图9所示。
图9 设置投药梯度操作界面
7) 开始实验：
点击混凝搅拌仪器程序设置板上的“开始”按钮，确认程序后，搅拌开始，如图10所示。
图10 开始实验操作界面
8) 二次加药：
点击蒸馏水喷壶，依次对仪器的投药管加入蒸馏水，目的是使首次加药后残留在投药管的药剂进行冲洗，减小投药的误差，如图11所示。
图11 二次加药过程
9) 搅拌过程：
重点观察搅拌过程每个烧杯“矾花”的形成过程，可点击烧杯放大图像进行微观观察，同时可以进入微观观察界面，分别对投药量较小、投药量适中和投药量较多三种情况，按反应器搅拌1分钟、5分钟、10分钟后的“矾花”的微观状态进行观察记录，能够让学生体会到不同投药量下在不同的搅拌时间“矾花”的形成情况，从而确定混凝剂投药量和混凝反应的时间长度对混凝效果有一定的影响，的有利于学生对混凝的影响因素这个知识点的学习。搅拌过程的微观观察界面如图12所示。
图12 搅拌过程微观观察界面
10) 粒度分布分析测试：
搅拌过程结束后，点击取样瓶，分别对仪器中6个烧杯的样品进行取样，同时采用机关力度测试仪测试水体中矾花的粒径分布情况，并获得各样品的粒度分布分析报告，记录每个投药量对应的粒度分布峰值。操作界面如图13所示。
图13 粒度分析仪操作界面
11) 沉淀过程：
仪器停止搅拌后，进去静止沉淀阶段。模拟水体静沉15分钟过程中的微观变化，缩短实验的反应时间，学生可以点击烧杯在短时间内进行微观观察，能够简单，清晰地呈现“矾花”聚集下沉的整个过程，提高学生对混凝形成机理的理解和认识。微观观察界面如图14所示。
图14 沉淀过程
12) 剩余浊度测试：
沉淀结束后，点击取样瓶，依次对仪器6个烧杯的水体提取100mL水样进行剩余浊度监测，记录每个投药量对应的剩余浊度，自动生成混凝曲线图进行分析对比，选取最优混凝剂对应的最佳投药范围。实验操作界面如图15所示。
图15 剩余浊度测试结果
13) 数据分析，重复实验：
比较第一组实验结果，根据6个水样所测得的剩余浊度值，以及水样混凝沉淀时现象观察记录的分析，对最佳投药量所在区间作出判断，缩小投药量范围，重新设定实验的最大和最小投药量值，重复以上实验。实验结果显示如图16所示。
图16 实验结果显示界面
14) 对比分析，下载实验报告：
选取有效的实验数据，以投药量为横坐标，以剩余浊度为纵坐标，绘制投药量—剩余浊度曲线，从曲线上可求得该混凝剂的最佳投药范围。同时，查看颗粒分布曲线,根据测试后多组数据的颗粒分布曲线，提取每组数据的峰值点，连成曲线，从颗粒分布情况确定最佳投药量范围。最终根据剩余浊度测试结果和颗粒分布情况进行对比分析，生成混凝曲线图和颗粒分布峰值点曲线，确定最佳投药范围，下载实验报告。实验操作如图17所示。
图17 数据分析界面
（4）浊度仪和激光粒度分析仪的仿真模拟
针对混凝沉淀实验过程中使用到的高端测试仪器——便携式浊度仪和激光粒度分析仪进行仪器操作模拟，解决了由于仪器配置不足，仪器维护费用高，导致学生无法对高端仪器进行熟悉操作的问题，利用虚拟仿真对仪器进行熟悉操作。
1) 2100P便携式浊度仪的操作步骤如下：、
① 按“POWER”键开启仪器，再按“RANGE”键令显示屏上显示“AUTO RNG”。
② 待测水样装入试样瓶，放入样品室，合上样品室盖。按“READ”键读取数值。该数值即为这待测水样的浊度值（NTU），
2) 丹东百特激光粒度测试仪（Better-9300S）的操作步骤如下：
① 背景设置：点击“测试过程-测试-常规测试”测试系统背景。背景高度应在1-4之间，横坐标长度小于20个，形状为逐次递减，20格以后没有信号为背景状态良好。点击“确认”后把背景保存下来。
② 加入样品，观察遮光度，遮光度达到5%以上可以测试样品。点击“循环”1分钟，进行光分散；
③ 测试：点击“连续”按钮开始测试并显示结果。
下载测试结果：选取有效的测试结果，点击对比分析，生成测试报告。
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