危险废物全生命周期处理与处置实验虚拟仿真设计

王东梅， 龚正君， 王 君， 惠彬宇， 罗鹤松

（1.西南交通大学环境科学与工程学院，成都 611756；
2.南充嘉源环保科技有限责任公司，四川 南充 637900）

危险废物危害大、污染重、影响深，是环境污染防治任务中最难处理的污染物之一［1-2］，如何实现此类废物的妥善处理与处置，减轻对生态环境的影响已成为当前亟须解决的问题［3-5］。在环境类专业课程教学中，固体废物处理处置与资源化实验是其专业核心课程，但受限于危险废物的危险性、处理处置技术的特殊性，危险废物处理与处置实验成为学生做不了的实验［6-7］。为全面培养具有此类技术的环境工程专业学生，亟须结合现代信息技术搭建实验虚拟仿真以实现对危险废物处理处置实践能力的训练，达到对人才实践能力全面培养的目的［8］。

在固体废物处理处置与资源化领域，当前有高校已建设有机固体废物厌氧发酵、垃圾焚烧发电和危险废物突发事故应急处置等实验虚拟仿真等［9-10］，还无针对危险废物预处理及处置技术的实验及实践内容。鉴于此，以最新的相关技术规范为依据［11-13］，基于全生命周期的理念设计开发了危险废物处理处置实验虚拟仿真系统［14］。该系统将危险的处理对象、特殊庞大的实验装置、不可逆的实验过程直观形象的展现，以工程师的角色通过任务式引导让学生如同亲临实境。该系统为环境类学生实践能力培养提供了共享实验虚拟仿真教学资源，支撑环境工程新工科人才的培养。

依托环境工程国家级一流本科专业建设，面向我国双碳战略下生态环境保护的需求，以培养具有专业胜任能力和解决实际工程问题的高层次应用型新工科人才为目标，自主研发危险废物全生命周期处理处置实验虚拟仿真。实验设计坚持“学生中心、问题导向、产教融合、创新实践、思政融于课程”的理念，以危险废物的全生命周期为主线，采用3D 建模、音乐动画、人机交互等技术构建危险废物分类收集、贮存转运到处理处置全流程的虚拟仿真设计，实现从“摇篮到坟墓”全过程的实验操作。整体设计架构见图1。

图1 危险废物全生命周期处理处置实验虚拟仿真总体架构

以学生沉浸式的学习为目的，构建虚拟环境场景，模拟人类在生产生活各环节产生的危险废物，引导学生化身“环保工程师”，实施从收集、贮存到处理处置的全生命周期过程，提升学生固废资源化、源头减量化、能耗降低、碳排放减少的环保理念。本实验主要通过对危险废物源头、过程和终端处置全过程的仿真，达到对学生全生命周期沉浸式、情景式的实践教学。

2.1 危险废物分类收集

此模块以《国家危险废物名录（2021 年版）》为依据［15］，以危险废物产生的4 个主要空间环境为仿真场景（见图2），让学生通过沉浸式的漫游，分别进入不同场景去识别各类危险废物，并完成危险废物的分类收集。该模块包含4 个步骤：

图2 危险废物分类收集设计与场景

步骤1社区危险废物的分类收集与豁免规定。

步骤2学校等科研教学机构危险废物的来源与分类收集。

步骤3医院危险废物的特殊规定与分类收集。

步骤4工业园区危险废物的种类与分类收集。

交互操作与评价同步进行，学生在操作过程中错误的操作会及时反馈。

2.2 集中贮存与安全转运

危险废物从用户贮存库房转运至危险废物处置中心分类入库的流程以2D、3D虚拟仿真技术完整呈现。此模块通过任务引导学生进行贮存转运认知到分类入库标准流程，完成从用户到处置中心的转运入库，为下一步方案制定及执行打下基础。在分类入库环节通过危险品闪点、热值、挥发性等情况为不同的废物进行库房的分配。如若选择错误，系统会实时提醒学生反思进行修正。集中贮存安全转运主要场景见图3。

图3 集中贮存与安全转运主要场景

2.3 危废处置方案制定

此模块引导学生学习处置方案制定的原则、各类处理处置方法认知，根据危险废物特性完成预处理及处置方案的制定。处理处置原则步骤包括“资源化”“减量化”“无害化”三大原则认知和考核。危险废物各项预处理技术包括粉碎、过滤、固化等，处置技术包括焚烧、物化、填埋等［16］，通过认知学习处理处置技术掌握适应的废物类型。此环节让学生掌握不同危险废物的处理处置方案并熟悉工艺流程。在此基础上，“危险废物预处理方案制定”步骤为不同危险废物匹配正确的预处理方法，“危险废物处置方案制定”步骤为不同危险废物匹配正确的处置方法。此模块完成后生成不同类型危险废物全生命周期处理路线图。此模块逻辑流程见图4。

图4 危废处理与处置方案中各模块逻辑流程图

2.4 处置中心处理与处置

处置中心处理处置模块以危险废物处置厂为原型，采用三维虚拟仿真技术形象、全面地仿真危废处理中心的核心处置设施。包括焚烧处理系统（固体预处理-液体预处理-焚烧系统）、物化处理系统（重金属酸碱废液处理-废乳化液处理）、安全填埋系统（固化稳定化-安全填埋）。处置中心虚拟仿真场景如图5 所示。焚烧处理系统执行危险废物焚烧的预处理操作，对不同危险废物进行配伍合格后进入危险废物的焚烧流程。物化处理系统涵盖了含重金属废酸碱液物化处理和废乳化液的物化处理。安全填埋系统包括危险废物固化与稳定化预处理和安全填埋操作。

图5 处置中心主要虚拟场景

危险废物入炉前应根据焚烧炉的性能要求对危险废物进行配伍，其热值、主要有害组分含量、可燃氯含量、重金属含量、可燃硫含量、水分和灰分符合焚烧处置设施的设计要求。本实验设计入炉热值高于14 650 MJ/kg（3 500 kcal/kg）、硫含量低于2%、氯含量低于2%、氟含量低于0.1%、磷含量低于0.5%；
根据各类物料的配伍因子值确定不同物料的配伍量，以达到入炉要求。固化环节中需根据标准制定3 种不同的固化剂配比方案，得到浸出液中4 种重金属的相关参数的实验报告，并判断配比的浸出液中重金属浓度是否达到国家标准［17］。学生需要根据固化稳定化实验操作结果，分析水泥添加比例对混合物料重金属浸出浓度的影响，并从经济成本、效果、处理效率等方面讨论不同方案的优缺点。

2.5 减污降碳拓展模块

当前，我国生态文明建设同时面临实现生态环境根本好转和实现碳达峰碳中和两大战略任务，开展减污降碳协同治理已成为我国深入打好污染防治攻坚战的重要方向。减污降碳拓展模块以加深学生对减污降碳协同处理的认知思考为目标，从减污降碳协同治理知识背景、危险废物及资源化利用方式到制定减污降碳协同仿真方案，引导学生从发现问题到分析问题，再到解决问题。在协同处理实验设计中，选择合适的空白和对照实验中煤炭与油基岩屑配比，根据结果让学生加深理解资源化利用、减污降碳协同处理的意义。

3.1 实验教学目标

减污降碳协同治理是生态文明建设和实现双碳目标的关键路径，其中危险废物的减量化、无害化和资源化处理处置是该关键路径的重要环节，该方向人才的实验技能是培养的重要内容。作为《固体废弃物处理与处置实验》独立实验课程的实验项目，通过本实验要达到的教学目标：

（1）掌握危险废物从源头产生分类收集、集中贮存安全转运、到处置中心处理处置全生命周期的过程管理、工艺流程和关键知识能力。

（2）了解危险废物主要的预处理与处置技术，掌握不同实验参数对焚烧配伍、物化处理及固化稳定化效果的影响规律，具备对不同类别危险废物匹配合理处理处置方案的能力。

（3）了解危废减污降碳协同处置的关键因素和减污降碳的效果评价，培养学生双碳战略下减污降碳协同增效的理念、系统分析能力和解决实际工程问题的创新实践能力。

3.2 实验教学过程

实验教学过程以问题引导和驱动下的探究式教学模式为基础进行设计。在实验课程教学前的2 周，将实验系统的视频简介、引导视频及实验要求一并发给学生；
实验课前，学生通过教材和国家相关标准规范等电子资源自主学习相关理论，针对实验内容进行自主学习和准备；
课上，老师通过应用引发的理论与技术问题，引导学生先进行研讨交流，形成一定的共识或争议；
以实验系统为依托，引导学生根据自己的认识去仿真操作，发现不足并引出新问题；
在老师的引导下根据所学理论进行改进尝试和探究，找出解决问题的办法，在仿真系统上说明改进的效果，提交实验结果，撰写实验报告。老师在其间只起到引导、释疑和推动作用。

该实验虚拟仿真4 个学时，学生可在整个场景和情境中进行交互性操作。实验流程为：登录系统-视频学习-开始实验-领取任务-危险废物分类收集-集中贮存安全转运-危废处置方案制定-处置中心处理处置-减污降碳拓展模块-上传成绩-报告讨论-提交报告-实验结束-退出系统-教师发布成绩（见图6）。

图6 实验操作全流程图

3.3 实验教学方法

基于危险废物全生命周期处理处置实验虚拟仿真教学平台，采用沉浸漫游与任务驱动同步、自主设计与进阶引导同步、交互操作与反思评价同步“三同步”的实验教学方法（见图7），实现本实验虚拟仿真教学的目标。

图7 危险废物全生命周期处理处置实验虚拟仿真“三同步”教学方法

（1）沉浸漫游与任务驱动同步。实验中引导学生化身“环保工程师”，进入虚拟世界，系统下达任务：以工程师角色完成一个地区的危险废物的全生命周期处理处置。学生带着任务，进行自主探索和互动协作学习，模拟收集、贮存、处理处置人类在生产、生活各个环节产生的危险废物。学生通过任务引导认知全生命周期的内涵，掌握从源头控制污染，减少污染排放，废物资源化的工艺和技术，深刻了解从源头、过程到最终的全生命周期的危险废物的处理处置，提升对危险废物全方位的认知。学生提前进入“环保工程师”的工作状态，感受工程师的“责任感”和“成就感”，通过沉浸漫游与任务驱动同步的实验教学，实现学生分析问题、解决问题能力的提升。

（2）自主设计与进阶引导同步。实验设计中，引导学生自主设计实验，在焚烧配伍、固化稳定化等环节自主调整参数，对比不同参数的结果差异，引导思考重新选择。通过操作，学生能自主探索和比较各种配伍参数、固化参数的不同效果，锻炼学生的自主探索能力和创新思维。基于当前碳中和背景，引导学生进阶思考实现低碳减排的方案和路径。设计中从减污降碳协同治理知识背景、危险废物及资源化利用方式到减污降碳协同处理方案的制定，提升学生固废资源化、源头减量化、降低能耗、减少碳排放的环保理念。

（3）交互操作与反思评价同步。在每个实验步骤中，以“认知提示”“任务引导”和“错误提示”等多种方式引导学生，对实验步骤和实验结果做出分析、判断与决策。系统实时同步提供评价考核结果，学生可及时反思自己的全部操作和知识能力缺陷。学生还可根据评价结果和兴趣，反复进行仿真。学生通过人机交互，明确自身存在的知识能力不足，通过自主学习及时弥补，在交互式实验中深化对核心知识和技术的理解，培养学生系统性的思维判断与分析能力。

（1）构建的实验虚拟仿真系统全方位实现了从危险废物产生源头、集中贮存、安全转运到处理处置涉及的所有知识点的实验探究，将危险性不可逆的处理过程和实验结果形象呈现，极具可观性和吸引力。系统设计解决了实验难以组织实施，也无法承受大批量的学生同时实验的难题，有效拓展了实验内容的深度和广度，提升了减污减碳处理的学习效果，凸显了实验虚拟仿真的优势。

（2）依托该实验虚拟仿真教学，切实拓展以任务引导和问题导向为主要形式的实验教学方法，通过让学生自主操作、调整主要参数，实现对处理规律的影响探究，结合软件的自动评分系统，让学生能直观看到实验效果，有效调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，推进了问题导向式教学方法的普遍运用。

（3）以最新的相关技术规范为依据，校企协同，将企业最先进的处理处置技术融入实验虚拟仿真，通过进阶式的任务体系，让学生完成减污降碳协同的知识内容，培养学生双碳战略下的低碳环保协同理念。教学目标的达成有助于学生毕业后快速适应环保工程设计与施工等工作或从事固体废弃物处理与资源化等科学研究，为毕业生成长为高层次应用型“新工科”人才奠定重要的基础。

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