城市污水处理生态砖
北京师范大学南山附属学校
学生：张晨、箫瑶、许可 指导教师：罗东才
《中小学综合实践活动课程指导纲要》和《普通高中通用技术课程标准》都强调立足学生的真实生活和发展需要，从生活情境中发现问题，在技术实践过程中，培养学生跨学科综合素质。
本案例，从学生城市生活中遇到的真实情境出发，由学生自己发现问题、提出改良方案并付诸实践。从城市污水处理工程的技术设计角度，让学生理解处理特种污水的生物反应器结构、系统、流程、控制的一般概念，了解生态砖简单的结构设计、系统设计、流程设计、控制设计的基本知识，以及这些知识与城市污水处理的联系和应用。
第二部分 项目实施案例
- 项目概况
- 项目背景
深圳大沙河位于学校附近，被各种废水充斥其中，污泥堆积,杂草丛生,臭气熏天,人见人呕，是非常理想的城市污水治理对象。高一学生前期已经有了对填海区土壤生态重建的探究经验，结合学校周边的多个环保研究机构和企业资源，经过高中微生物知识的学习，提出运用微生物工程生态处理城市生活污水处理的做法。经过大量实验，选择大沙河河底污泥作为吸附剂制备原料，选择植物材料——明列子作为污泥吸附剂的添加物，可以有效解决传统活性污泥法因溶解氧不足而效率不高的问题。
- 项目简介
城市污水随处可见，且成分复杂，水质理化指标具有许多特异性。怎样运用所学为建设美丽深圳，改善学校附近被列为广东污染最严重的三河之一深圳大沙河的水质贡献一份力量，引起学生共鸣。通过前期调研发现，对污水长时间曝气，玻璃瓶里会出现污泥（活性污泥），水质也得到明显改善。于是，学生们尝试使用活性污泥法对城市污水进行了生态处理研究。为解决传统处理法效率不高难点，学生们开展了生态砖的工程探索与实践。
- 学习目标
1、通过对生态砖的设计、制作、测试的过程，尝试运用工程设计的一般过程、流程、系统优化等知识解决现实生活中的实际问题，初步掌握工程项目设计的一般程序和基本方法，并初步学会对工艺流程进行评价与做出改进。
2、经历设计、实践过程，体验物化经历，熟悉常见材料材质特性及其加工方法，学会选择材料并能对其做初步处理。
3、以本地现实问题为研究对象, 在对污泥成分测试的基础上, 研究目前新技术, 并对其制备原理、影响因素等进行探讨, 能找出传统制备方法的缺点, 为污泥的资源化利用找到更有效、更环保的新途径。以结构不良问题为引导,通过学生的自主探究和合作学习,让学生在解决问题的过程中自主习得知识和发展技能。
4、通过本项目的生态砖孔隙结构设计实现多学科整合，提高通用技术课的综合性和深刻性。
- 项目计划
城市污水处理是一项综合工程，要对学科知识进行整合，师生互动分析学科之间的知识关联，将分散的学科知识进行跨学科结构化，通过跨学科的问题探究将各学科有机地串联起来形成生态砖制作STEM课程。所以项目开展前师生首先通过头脑风暴确定问题。当通过头脑风暴的方法产生了大量可能解决问题的方案的时候，学生就可以开始分析这些方案了。在设计完解决方案之后，需要优化解决方案。
在课程设计过程中，学生的项目会经历多次评估、优化与调试，所以本项目的工程设计过程中按照三个不同阶段设置了循序递进的问题情境，活动流程如下：
- 项目实施过程
（一）调查与探究
近年来随着城市生活污水量的不断增加，现有的生活污水处理工艺在具体应用中还存在许多不足之处。一旦城市生活污水得不到有效处理，这必然会对城市的发展带来较大的影响，因此需要针对当前城市生活污水处理中存在的问题进行深入，以便于为全面提高城市生活污水处理水平提供必要的帮助。学生分组后通过头脑风暴制订行动计划：
活动3：实验探究
根据前期调研结果，实验探究污泥的获取与预处理；解决污泥透气问题（溶解氧）的材料选择——植物纤维生物球制备。
（二）设计、制作、评估
第一阶段
问题情境 1：活性污泥法是污水生物处理的一种方法。该法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。是处理城市污水最广泛使用的方法。但由于一般的活性污泥法处理污水需要污水中要含有足够的溶解氧，且要保证活性污泥连续回流，并且排除剩余污泥，否则处理污水效率不能再提高，能不能自己动手制作一个解决以上问题的结构呢？
情境分析：需要设计一个既能由碳骨架为主体构成的孔隙结构又具备吸附性的结构。
设计分析、方案构思：城市污水处理厂污泥中含有大量有机物, 含碳量也较高, 因此, 可以通过合适的处理方法, 将污泥转化成价格低廉的含碳吸附剂。常见的方法有传统化学活化法，该法耗时长，且易造成化学药剂浪费与污染。通过文献研究, 可通过微波诱导使污泥中的有机物热解、挥发, 形成由碳骨架为主体构成的孔隙结构的吸附剂。
活动目的：善于发现问题并能提出解决方案，设计方案并利用简单的污泥实现物化过程。
活动过程：
1.微波热解法制备污泥吸附剂
1.1、设备
所选微波装置是Midea 美的 MM721NG1-PW 微波炉
1.2、选材
选择深圳大沙河河底污泥作为吸附剂制备原料。大沙河主要的污染源有沿岸生活污水、工业废水和垃圾渗滤水，内含丰富的有机质，是制备污泥吸附剂的理想原材料。
选择明列子作为污泥吸附剂的添加物，购自安徽省亳州市国和食品有限公司出品的Optimcom/优品康牌兰香子（学名：明列子）。
兰香子，学名明列子，为唇型花科、罗勒属、一年生、芳香性亚灌木状、草本植物。明列子接触水或体内消化液、种子表面的多糖类不溶性食物纤维、具吸水后自体膨胀的特性、可有效的吸附剂孔隙大小、结构及分布，提高微波热处理效率。
1.3、材料处理
取大沙河污泥放至手摇离心沉淀器离心脱水处理备用
图6-63 微波诱导热解污泥制备含碳吸附剂工艺流程
吸附剂制备工艺流程如图1，将脱水污泥与研磨至粉末状的活性炭按比例充分混合,在氮气保护下按一定的微波处理工艺进行处理. 此时得到的吸附剂含有大量的热解油, 以15% 的氨水溶液充分浸洗，再以蒸馏水洗涤数次，使pH达到6左右. 在温度为105℃的烘箱中干燥数小时, 恒重。烘干后放入干燥器中冷却, 研磨至80目, 即得污泥吸附剂样品，制成如下砖形结构（称之为“污水处理生态砖”）。
图6-64污水处理生态砖设计图
2.两种方法制备的污泥吸附剂比较
为了增加生态砖的吸附性，我们对砖结构分别采用物理法、化学法处理，以期达到更理想的孔隙结构。
物理方法：微波诱导热解，形成碳骨架为主体构成的孔隙结构的吸附剂。
化学方法：明矾吸附剂依靠自身孔结构等具有较多的表面吸附位，产生吸附能力。絮凝剂是依赖于体系中形成胶团，带电性，继而团聚为大颗粒无法在体系中悬浮而沉淀。
处理完后，对两种方法进行吸附能力测试，并进行制作成本和所需资源再利用评估。
活动记录：
图6-65 提取污泥样本 图6-66污泥微波处理
第二阶段
问题情境 2：微波诱导热解污泥法可使使污泥中有机物热解、挥发。该法易造成污泥结块，不易形成理想的孔隙。基于此，有必要研究微波法诱导热解污泥制备污泥吸附剂的新技术。
情境分析：现有的污泥吸附剂制法有缺陷，孔隙结构不理想，污水处理效果差。需要找到制备符合要求的孔隙结构生态砖。
设计分析、方案构思：辅助添加物对污泥吸附剂性能的影响与选择
尝试在污泥中添加吸收微波能的物质，并做相关实验
1、添加过氧化氢
过氧化氢受热分解生成水和氧气，水能吸收微波；氧气可使污泥膨胀，增大碳孔隙，增大吸附面积，从而增强吸附能力。
2、酵母菌发酵
酵母菌发酵产出二氧化碳和酒精，酒精为有机物，通过微波热解增加污泥中碳含量；二氧化碳可使污泥膨胀，增大碳孔隙，增大吸附面积，从而增强吸附能力。
3、活性炭
投入活性炭能增加污泥中的碳含量，有利于增强污泥吸附剂的吸附能力。
4、植物纤维
由于需要比普通净化法更多的氧，便于污泥与之充分融合，故选取富含植物纤维的多孔植物作为污泥的载体。经过多方面甄选，由于丝瓜络多孔，且孔较密集，日常生活中其常被用于清洗厨具，故最适宜作为污泥载体。
活动目的：掌握常见的生产工艺，产品设计要充分考虑三要素（人、物、环境）、动态尺寸与静态尺寸、结构与功能关系，明确连接件及连接方式对功能实现的意义，培养团队合作意识。
活动记录：
第三阶段
问题情境3 ：植物纤维细胞很小，用它来作为生态砖的孔隙框架吸附性比较理想，但问题是当纤维球与污泥混合时，却带来许多问题：如何均匀分布？植物纤维热解是否充分？制成砖后整体孔隙结构问题等等。于是我们尝试使用微波—明列子联用方式解决这一难题。
情境分析：开发出一种可调节的经过明列子、微波预处理的污泥吸附剂，以达到高效、经济、环保的方法（初级）处理大面积工厂、生活污水的效果。
设计分析、方案构思：微波预处理温度的提高可以促进污泥破解,从而提高污泥后续的干燥速率。
加入明列子后：使菌种以明列子为载体繁殖。明列子收缩后的孔隙形成天然过滤结构。将活性炭与微波处理优点相结合。结合具体应用场景，可设计成各式特殊用途的廉价污泥吸附剂。
经过明列子的特性及模拟实验，发现污泥絮凝沉降性能、污泥絮体形态都比较理想：
图6-73 小分子量壳聚糖的污泥絮体形态与不投加壳聚糖的污泥絮体形态比较
方案评估与结论：
（1）处理效率对比实验表明，投加壳聚糖能较好地提高污泥对有机污染物的处理效率。而在投加的3种不同分子量壳聚糖中，大分子量壳聚糖的处理效果最好。
（2）微生物耗氧速率和脱氢酶活性的对比实验表明，投加壳聚糖会在一定程度上抑制污泥活性，而分子量越小，抑制作用越强。
（3）污泥沉降性能和污泥结构的对比实验表明，投加壳聚糖可以大大提高污泥的沉降压缩性能，并能很好地改善污泥絮体结构。而壳聚糖分子量越大，污泥的沉降压缩性能和絮体结构越好。
（4）在活性污泥法中投加壳聚糖可以强化生物作用，并且应选择分子量较大的。
优化改进：微波—明列子联用预处理污泥制备吸附剂
将明列子均匀放入污泥中，再将明列子—污泥放入微波中诱导热解
用明列子对污泥吸附剂进行调节，调节思路如下：
1、微波处理的优缺点 加入明列子后的好处：将活性炭与微波处理优点相结合。于是我们根据不同需求，对各种吸附剂进行不同的设计 按比例 投放量 吸水量
明列子每10克中约含有2个半莴苣的食物纤维，种子吸水后约30倍的膨胀，在胃中膨胀后小球体表面啫喱状粘质易附着于肠壁，可减少食物与肠壁接触的机会。
明列子提供丰富的纤维，在胃中可以包覆醣类，减少醣类的吸收。纤维质遇水膨胀的特性，有利于的控制。
2、可调制吸附剂的设计
（1）、污水处理吸附剂
（2）、发电吸附剂 我们把它称作“钢筋混凝土型”
（3）、特殊要求的定制 （不同添加物）
结果：污泥中加入不同量明列子，明列子吸水膨胀，可扩大污泥吸附剂面积，从而扩大碳孔隙，有助于增大微波热解后污泥的吸附能力。
活动记录：
（三）交流与展示
将创意想法、科创理念变成实在的科技感产品，“路演”是一个不错的选择。作品路演活动准备如下：
1.展示内容：研究报告；活性污泥生态砖；污水处理工艺介绍准备。
2.展示形式：演讲（PPT）；实物展示；污水处理效果演示准备。
工程设计图，效果图准备。
3.场地布置搭建、道具准备。
4.宣传资料、项目展板准备。
5.活动流程设计，现场活动项目准备
- 学生作品展示与点评
现如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市污水最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解性的和胶体状态的可生化有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质，同时也能去除一部分磷素和氮素。但目前活性污泥法主要受溶解氧不足以及单次滤过效率不高等因素的限制，并不能达到其最高的利用价值。而利用生物球进行合理强化后，活性污泥可以借助其内部结构的特殊性来弥补其自身缺陷，使得污水与污泥的接触面积更大，接触反应速度更快，从而达到了提高其效率的目的。这个项目的成功可以为大型污水净化厂对此种实验方法的改进与强化提供理论依据，增强水厂处理污水的效率，有节省成本等好处，其意义重大。
- 项目反思
- 学生反思
组员1：在参观水厂后，发现城市污水处理厂污泥中含有大量有机物，含碳量也较高，于是我提出可以通过合适的处理方法，将污泥转化成价格低廉的含碳吸附剂。想法得到指导老师支持后，马上去目标地弄了一批污泥，准备大干一场时才发现，实际操作比不像想象中那么简单。诸如：材料选择、预处理、方案设计、模型建构等等都需要考虑。这让我深刻明白“凡事预则立，不预则废”的道理。
组员2：实验设计中，在对比了传统化学活化法的缺陷后, 探究出可通过微波诱导使污泥中的有机物热解、挥发，形成由碳骨架为主体构成的孔隙结构的吸附剂，这一解决方案。正高兴说找到破解传统活性污泥法的难题时，发现此法易造成污泥结块，不易形成理想的孔隙。为解决这一问题，我们又尝试使用微波—明列子联用方式解决这一难题。整个工程项目让我体验到技术与设计的魅力。
组员3：我们以深圳大沙河的脱水污泥为研究对象, 对很少干家务的我来说，这本是就是一项很有挑战性的任务，取材时脏累不说，更令人难以忍受的是“奇臭无比”。但最终还是在团队成员的“威逼利诱”下完成了材料采集及处理。我们在对污泥成分测试的基础上, 研究微波法诱导热解污泥制备污泥吸附剂的新技术，并对其制备原理、影响因素等进行探讨，期望克服传统制备方法的缺点, 为污泥的资源化利用找到更有效、更环保的新途径。怎么说呢？做这个项目让我痛苦并快乐着吧！
- 教师反思
1、本案例来源于现实生活的知识问题，项目实施中通用技术知识与生物、化学知识结合完美，是跨学科教学与素质教育相结合最理想载体。
2、取材于学习生活，服务于学习生活，这是激发学生学习兴趣的最大内驱力。
3、所选材料与工具均是实验室常备的，还可以循环利用，降低教学难度，增加了开展的可行性。
4、案例中所进行的实验研究为目前通用技术创新活动又一大亮点。这种采用跨学科推进的教学策略，活动中处处需要通用技术学科知识解决问题，展现学科教育魅力，又融入了大量其他学科知识，符合课程改革教育的需要，更是全面技术素养培养方式与有选择性的人才个性发展模式相结合的良好案例，符合素质教育的需求。