《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究課題報告目錄一、《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究開題報告二、《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究中期報告三、《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究結題報告四、《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究論文《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究開題報告一、課題背景與意義

城市化的浪潮裹挾著人口與產業(yè)的集聚，污水排放量持續(xù)攀升，城市污水處理廠作為水環(huán)境治理的“最后一道防線”，其效能直接關系到水生態(tài)安全與公眾健康。然而，傳統(tǒng)二級生化處理工藝對尾水中殘留的有機污染物、氮磷營養(yǎng)鹽及新興微量污染物（如藥物殘留、內分泌干擾物）的去除能力有限，尾水排放仍可能導致受納水體富營養(yǎng)化、生態(tài)毒性累積乃至飲用水源風險。隨著我國《水污染防治行動計劃》《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及再生利用發(fā)展規(guī)劃》等政策的深入推進，污水處理廠從“達標排放”向“水質凈化”與“資源再生”轉型成為必然趨勢，尾水深度處理技術的研究與應用迫在眉睫。

高級氧化技術（AdvancedOxidationProcesses,AOPs）憑借其產生強氧化性羥基自由基（·OH）的能力，能夠無選擇性地降解難生物降解有機物，礦化毒性物質，且反應條件溫和、無二次污染，已成為尾水深度處理領域的研究熱點。芬頓/類芬頓技術、臭氧氧化、光催化氧化、電化學氧化等技術各具優(yōu)勢，但在實際應用中仍面臨催化劑活性穩(wěn)定性、運行成本控制、與現有工藝協(xié)同優(yōu)化等挑戰(zhàn)。當前，國內外學者對AOPs的技術機理與應用效能已有較多探索，但針對不同水質特征的尾水，如何精準匹配氧化技術參數、構建高效低耗的處理工藝，并推動技術成果向教學實踐轉化，仍存在系統(tǒng)性研究空白。

從教學視角看，環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)需緊扣行業(yè)技術前沿，將“產、學、研”深度融合。高級氧化技術涉及化學、生物學、材料學等多學科交叉，其復雜的技術原理與工程應用場景，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與實踐能力提供了優(yōu)質載體。然而，現有教學內容多側重單一技術原理的講解，缺乏對技術選型、工藝優(yōu)化、工程案例的系統(tǒng)性整合，學生對技術在實際尾水處理中的適用性、經濟性認知不足。因此，開展“城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究”的教學研究，不僅能夠填補AOPs技術教學與工程實踐之間的鴻溝，更能推動教學內容更新、教學模式創(chuàng)新，為培養(yǎng)適應新時代水環(huán)境治理需求的高素質人才提供支撐。

二、研究內容與目標

本研究以城市污水處理廠尾水深度處理為應用場景，聚焦高級氧化技術的教學實踐創(chuàng)新，核心內容包括技術原理解析、工藝優(yōu)化路徑、工程案例教學及教學體系構建四個維度。

技術原理解析部分，系統(tǒng)梳理芬頓/類芬頓、臭氧催化氧化、光催化氧化、電化學氧化等主流AOPs的作用機制，重點對比不同技術在羥基自由基產生效率、目標污染物降解路徑、催化劑失活機理等方面的差異。結合量子化學計算與實驗表征數據，揭示污染物分子結構、水質參數（如pH、堿度、共存離子）對氧化效率的影響規(guī)律，為技術選型提供理論依據。

工藝優(yōu)化路徑研究，基于典型城市污水處理廠尾水水質特征（如CODcr、氨氮、總磷濃度及溶解性有機物組分），通過正交試驗響應面法優(yōu)化關鍵工藝參數（如H?O?投加量、催化劑投加比例、反應時間、電極電位等）。構建“預處理-AOPs-深度凈化”的協(xié)同處理工藝模型，評估不同技術組合在去除難降解有機物、脫氮除磷、降低生態(tài)毒性方面的綜合效能，提出針對不同水質場景的技術適配方案。

工程案例教學模塊，選取國內外尾水深度處理工程實例（如北京某再生水廠A2O/O?-BAC工藝、深圳某污水廠光催化深度處理項目），分析技術應用中的實際問題（如催化劑更換周期、運行能耗控制、運維管理難點）。通過案例拆解、參數反演、故障模擬等方式，引導學生從工程視角理解技術的適用邊界與優(yōu)化方向，培養(yǎng)其解決復雜工程問題的能力。

教學體系構建環(huán)節(jié)，基于上述研究成果，設計“理論-實驗-案例-實踐”四階遞進式教學內容。開發(fā)包含技術動畫演示、虛擬仿真操作、工程案例庫的教學資源包，編寫《高級氧化技術尾水處理工程應用》特色講義；探索“項目式教學+翻轉課堂”模式，以“某污水處理廠尾水提標改造”為虛擬項目，驅動學生完成技術選型、工藝設計、經濟性分析等全流程訓練，實現知識傳授與能力培養(yǎng)的有機統(tǒng)一。

研究總體目標在于構建一套融合技術前沿與工程實踐的高級氧化技術教學體系，提升學生對尾水深度處理技術的綜合應用能力；具體目標包括：（1）明確不同AOPs技術對典型尾水污染物的降解效能與作用機制，形成技術選型指南；（2）提出3-5套針對不同水質特征的尾水深度處理工藝優(yōu)化方案，驗證其經濟性與可行性；（3）開發(fā)1套包含虛擬仿真與實體實驗的教學資源包，建立可復制、可推廣的教學模式；（4）通過教學實踐評估，證明該模式能有效提升學生的工程創(chuàng)新思維與實踐操作能力。

三、研究方法與步驟

本研究采用“理論探究-實驗驗證-教學實踐-成果凝練”的研究思路，綜合運用文獻研究法、實驗分析法、案例教學法與行動研究法，確保研究內容的科學性與教學應用的有效性。

文獻研究法作為基礎，通過WebofScience、CNKI等數據庫系統(tǒng)檢索近十年AOPs技術在尾水處理領域的研究成果，重點關注技術機理、工藝優(yōu)化、工程應用等方向。對比分析國內外教學案例中AOPs技術的教學內容與方法，識別現有教學體系中的薄弱環(huán)節(jié)，為研究設計提供理論支撐與問題導向。

實驗分析法是技術研究的核心，以某城市污水處理廠二級尾水為研究對象，搭建芬頓/類芬頓、臭氧催化氧化、光催化氧化等小型實驗平臺。通過批次實驗考察不同技術對COD、UV???、三維熒光光譜（EEMs）等指標的去除效果，利用高效液相色譜-質譜聯(lián)用（HPLC-MS）鑒定中間產物，揭示污染物降解路徑。長期運行實驗評估催化劑穩(wěn)定性與運行成本，為工藝優(yōu)化提供數據支撐。

案例教學法則聚焦工程實踐，選取3-5個代表性尾水深度處理工程案例，通過現場調研、參數采集、運維人員訪談等方式，獲取第一手工程資料。案例庫建設涵蓋不同規(guī)模、不同技術路線的工程場景，包含設計參數、運行數據、問題解決方案等內容，為教學提供真實情境素材。

行動研究法貫穿教學實踐全過程，選取環(huán)境工程專業(yè)兩個平行班級作為實驗對象，采用“對照組（傳統(tǒng)教學）-實驗組（創(chuàng)新教學模式）”對比研究。在實驗組實施“項目式+翻轉課堂”教學，通過課前虛擬仿真預習、課中案例研討與工藝設計、課后實體實驗驗證，收集學生作業(yè)、課堂表現、實踐報告等數據，通過問卷調查與訪談評估教學效果，持續(xù)優(yōu)化教學方案。

研究步驟分為三個階段：準備階段（第1-3個月），完成文獻調研與實驗平臺搭建，確定教學案例庫框架，設計教學方案與評價體系；實施階段（第4-12個月），開展實驗技術研究與教學實踐，定期收集數據并調整研究方案；總結階段（第13-15個月），對實驗數據與教學效果進行統(tǒng)計分析，凝練研究成果，撰寫研究報告、教學案例集與特色講義，形成可推廣的教學模式。

四、預期成果與創(chuàng)新點

本研究預期形成一套融合技術前沿與教學實踐的創(chuàng)新成果體系，在理論深化、技術突破、教學改革三個維度實現突破。

在理論層面，將系統(tǒng)揭示不同高級氧化技術對城市污水處理廠尾水中典型難降解有機污染物（如藥物殘留、內分泌干擾物）的作用機制與降解路徑，建立基于量子化學計算的污染物結構-活性關系模型，填補尾水深度處理中多污染物協(xié)同氧化機理的理論空白。同時，提出基于水質特征（如溶解性有機物組分、離子強度）的技術適配性評價體系，為工程選型提供科學依據。

技術層面，研發(fā)3-5套針對不同水質場景的尾水深度處理優(yōu)化工藝方案，重點突破芬頓/類芬頓催化劑穩(wěn)定性提升、臭氧催化氧化填料改性、光催化反應器結構優(yōu)化等關鍵技術瓶頸。通過中試實驗驗證工藝的長期運行效能，形成包含技術參數、經濟指標、運維指南的工程化應用包，推動實驗室成果向工程實踐轉化。

教學創(chuàng)新是本研究的核心突破點。構建“虛擬仿真-實體實驗-工程案例-項目實踐”四階遞進式教學模式，開發(fā)國內首個高級氧化技術尾水處理虛擬仿真教學平臺，實現工藝參數動態(tài)調控、故障模擬與效果可視化。編寫《高級氧化技術工程應用案例集》，收錄國內外10個典型工程案例的完整解決方案，將企業(yè)真實問題引入課堂。創(chuàng)新“項目驅動式”教學方法，以“污水處理廠尾水提標改造”為虛擬項目，驅動學生完成技術選型、工藝設計、成本核算全流程訓練，培養(yǎng)工程思維與創(chuàng)新能力。

預期成果形式包括：學術論文5-8篇（SCI/EI收錄3-5篇）、教學專利2-3項、虛擬仿真教學軟件1套、特色教材1部、工程應用指南1份、教學案例集1部。通過成果轉化，預計可提升環(huán)境工程專業(yè)學生對尾水深度處理技術的綜合應用能力30%以上，為行業(yè)輸送具備技術整合與創(chuàng)新能力的復合型人才。

創(chuàng)新點體現為三個維度：一是理論創(chuàng)新，首次建立尾水水質特征與高級氧化技術效能的定量關聯(lián)模型；二是技術創(chuàng)新，研發(fā)低耗高效的多技術耦合工藝包，解決催化劑失活與運行成本高的工程痛點；三是教學創(chuàng)新，構建“產教融合”的教學體系，打破傳統(tǒng)單一技術教學的局限，實現知識傳授與工程能力的協(xié)同培養(yǎng)。

五、研究進度安排

本研究周期為18個月，分四個階段推進：

**第一階段（第1-3個月）**：完成文獻調研與理論框架構建。系統(tǒng)梳理國內外高級氧化技術的研究進展與教學現狀，建立污染物降解機理數據庫，確定技術適配性評價指標體系。同步啟動教學案例庫建設，收集國內外典型工程案例資料，完成虛擬仿真教學平臺需求分析。

**第二階段（第4-9個月）**：開展實驗研究與工藝優(yōu)化。搭建芬頓/類芬頓、臭氧催化氧化、光催化氧化等實驗平臺，以典型城市污水處理廠尾水為對象，通過批次實驗優(yōu)化關鍵工藝參數。開展長期運行實驗，評估催化劑穩(wěn)定性與經濟性，形成3套工藝優(yōu)化方案。同步啟動教學資源開發(fā)，完成虛擬仿真平臺核心模塊設計與測試。

**第三階段（第10-15個月）**：實施教學實踐與效果評估。選取2個平行班級開展對照教學實驗，實驗組采用“項目式+翻轉課堂”模式，對照組采用傳統(tǒng)教學。通過課堂觀察、學生作業(yè)、實踐報告、問卷調查等方式收集數據，分析教學效果。根據反饋迭代優(yōu)化教學方案，完成特色教材初稿編寫與工程應用指南編制。

**第四階段（第16-18個月）**：成果凝練與推廣總結。整理實驗數據與教學效果評估報告，撰寫學術論文與專利申請材料。完善虛擬仿真平臺功能，編制教學案例集與操作手冊。組織校內教學成果展示會，邀請行業(yè)專家與一線教師參與研討，形成可推廣的教學模式，完成研究報告終稿。

六、研究的可行性分析

本研究的可行性建立在堅實的理論基礎、成熟的實驗條件、豐富的教學資源和穩(wěn)定的合作基礎之上，具備多維度支撐保障。

**團隊基礎**：研究團隊長期從事水污染控制技術與環(huán)境工程教學研究，成員涵蓋環(huán)境工程、化學工程、材料科學等多學科背景，已發(fā)表高級氧化技術相關SCI論文20余篇，主持省部級科研項目5項，具備深厚的技術積累與教學經驗。近三年指導學生完成“污水處理廠尾水深度處理工藝優(yōu)化”等省級大學生創(chuàng)新項目3項，為本研究提供了人才儲備與實踐經驗。

**實驗條件**：依托環(huán)境工程省級實驗教學示范中心，已建成水處理工藝模擬實驗室、高級氧化技術研究室、水質分析檢測中心等平臺，配備高效液相色譜-質譜聯(lián)用儀（HPLC-MS）、三維熒光光譜儀（EEMs）、電化學工作站等先進設備。與本地3座城市污水處理廠建立長期合作，可穩(wěn)定獲取尾水樣本與工程運行數據，滿足實驗研究需求。

**教學資源**：團隊已開發(fā)《水污染控制工程》省級精品課程，積累大量工程案例與教學素材。與企業(yè)共建“環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學中心”，具備數字化教學資源開發(fā)能力。合作企業(yè)（如某環(huán)?？萍脊荆┨峁┘夹g支持與工程案例，確保教學內容與行業(yè)前沿同步。

**政策與經費保障**：研究符合國家“十四五”水污染防治規(guī)劃要求，已獲省級教學改革重點項目資助（經費30萬元），同時依托學?！爱a教融合”專項經費支持。地方政府環(huán)保部門對尾水深度處理技術需求迫切，為成果轉化提供了政策與市場雙重驅動。

**風險控制**：針對實驗研究中可能出現的催化劑失活、工藝穩(wěn)定性不足等問題，已制定備選技術路線（如非均相催化劑替代均相芬頓）。教學實踐采用小樣本對照研究，通過多維度數據收集與專家評審確保效果評估的客觀性。建立定期研討機制，聯(lián)合企業(yè)導師與行業(yè)專家共同解決技術瓶頸，保障研究進度與質量。

《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究中期報告一、研究進展概述

自課題啟動以來，研究團隊圍繞城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術的教學應用展開系統(tǒng)性探索，在理論深化、技術驗證與教學實踐三個維度取得階段性突破。文獻調研階段完成近五年國內外AOPs技術研究的系統(tǒng)梳理，重點解析了芬頓/類芬頓、臭氧催化氧化、光催化氧化等主流技術的作用機制與工程瓶頸，構建了包含120篇核心文獻的數據庫，為教學案例庫奠定理論基礎。實驗研究方面，依托省級實驗教學示范中心搭建了多技術耦合實驗平臺，以本地某污水處理廠二級尾水為研究對象，通過批次實驗優(yōu)化了芬頓反應的H?O?/Fe2?摩爾比（最佳值3.5:1）、臭氧催化氧化的催化劑投加量（0.8g/L）及光催化反應的紫外光強（30W/m2），COD去除率較傳統(tǒng)工藝提升25%-40%，三維熒光光譜顯示腐殖類物質顯著降解，為工藝參數教學提供了實證支撐。教學實踐環(huán)節(jié)創(chuàng)新性實施"項目驅動+翻轉課堂"模式，選取環(huán)境工程專業(yè)兩個班級開展對照實驗，實驗組學生通過虛擬仿真平臺完成"尾水提標改造"虛擬項目設計，實體實驗驗證環(huán)節(jié)學生自主搭建的小試裝置平均運行效率達預期值的92%，較對照組技術選型準確率提高35%，課堂研討中涌現出"多技術協(xié)同處理抗生素廢水"等創(chuàng)新方案，初步驗證了教學模式對學生工程思維的有效激發(fā)。

二、研究中發(fā)現的問題

盡管研究取得初步進展，但實踐過程中暴露出若干亟待解決的深層矛盾。技術層面，芬頓體系在連續(xù)運行72小時后催化劑活性驟降30%，鐵泥產生量達理論值的1.8倍，其處置成本與教學演示的"低耗高效"理念形成尖銳沖突；臭氧催化氧化中填料表面出現明顯鈍化層，XPS分析顯示高價金屬氧化物被還原為低價態(tài)，導致羥基自由基產率下降45%，這種動態(tài)失活過程在現有教學內容中缺乏具象化呈現。教學實施環(huán)節(jié)，虛擬仿真平臺與實體實驗存在"認知斷層"：學生能熟練操作軟件參數調控，但面對實際尾水濁度波動、pH突升等突發(fā)工況時，應急處理正確率不足60%，反映出數字模擬與工程實踐的脫節(jié)。更值得關注的是，教學內容與行業(yè)需求存在時差：現有案例庫中80%為歐美工程實踐，而國內典型的"臭氧-生物活性炭"工藝因填料國產化率低、運維管理復雜等問題，在教學中被簡化為流程圖展示，學生難以理解技術落地的現實約束。此外，跨學科知識整合不足導致教學碎片化：材料學領域的催化劑改性進展、化學動力學中的反應路徑計算等前沿內容，未能有效融入水處理工藝教學，學生知識體系呈現"技術孤島"現象。

三、后續(xù)研究計劃

針對現存問題，研究團隊將實施"技術深化-教學重構-資源拓展"三位一體的調整策略。技術驗證環(huán)節(jié)重點突破催化劑穩(wěn)定性瓶頸，設計梯度實驗對比非均相Fe?O?@SiO?催化劑與均相體系的抗干擾能力，通過原位電化學表征揭示鐵溶出與活性位點的構效關系；同步開展臭氧催化填料的堿金屬摻雜改性，利用DFT計算優(yōu)化催化劑表面氧空位分布，目標是將連續(xù)運行周期延長至200小時以上。教學內容重構將建立"現象-機理-調控"三維教學框架：開發(fā)催化劑失活過程的動態(tài)演示模塊，通過顯微拍攝實時展示填料鈍化過程；引入國內某污水廠"臭氧-生物濾池"工程的運維日志，設計"突發(fā)工況處理"情景化任務包，要求學生基于實時水質數據調整工藝參數。資源拓展方面，計劃與環(huán)保企業(yè)共建"技術轉化案例庫"，收錄催化劑再生、膜污染控制等8項工程化解決方案，配套開發(fā)AR交互式工藝拆解系統(tǒng)，實現反應器內部流態(tài)與傳質過程的可視化呈現。教學評價機制將引入"工程韌性"指標，通過設置"水質突變72小時應急處理"綜合實訓，考核學生在資源約束條件下的技術適配能力。預計在下一階段完成3套優(yōu)化工藝的教學轉化，形成包含虛擬仿真、實體操作、工程案例的立體化教學資源包，最終構建"技術認知-工程決策-創(chuàng)新應用"的能力培養(yǎng)閉環(huán)，為環(huán)境工程教學提供可復用的AOPs技術教學范式。

四、研究數據與分析

實驗數據采集階段，共完成12組批次實驗與3組連續(xù)運行測試，覆蓋芬頓/類芬頓、臭氧催化氧化、光催化氧化三類技術。以本地污水處理廠尾水（CODcr45-55mg/L，氨氮8-12mg/L，UV???0.35-0.42cm?1）為研究對象，芬頓體系在H?O?/Fe2?摩爾比3.5:1、pH3.0條件下，COD去除率達78.3%，但連續(xù)運行72小時后催化劑活性衰減30%，鐵泥產量達理論值1.8倍，XPS分析顯示表面Fe2?氧化為Fe3?導致活性位點減少。臭氧催化氧化采用MnO?/Al?O?復合填料，臭氧投加量3mg/L時COD去除率65.2%，但運行120小時后填料表面出現鈍化層，O1s譜圖顯示晶格氧占比從42%降至18%，羥基自由基產率下降45%。光催化氧化采用TiO?/石墨烯復合材料，紫外光強30W/m2時反應90分鐘，腐殖類物質熒光強度（EEMs）峰面積減少67%，但可見光區(qū)降解效率不足35%，反映材料帶隙寬度限制。

教學實踐數據通過對照組（傳統(tǒng)教學班40人）與實驗組（創(chuàng)新模式班42人）對比采集。虛擬仿真平臺操作數據顯示，實驗組學生參數設置準確率達89%，但實體實驗中應對濁度突變（從15NTU升至45NTU）時，應急響應正確率僅58%，較虛擬操作低31個百分點。工程案例研討環(huán)節(jié)，實驗組提出“芬頓-BAF耦合工藝”方案12項，其中8項具備技術可行性，對照組方案中僅3項考慮了鐵泥處置成本。學生反饋問卷顯示，89%的實驗組學生認為“突發(fā)工況處理”任務包顯著提升了工程決策能力，但72%指出現有案例庫中國際案例占比過高，本土化不足。

跨學科知識整合評估采用概念圖分析法，實驗組學生繪制的高級氧化技術知識圖譜顯示，材料學（催化劑改性）與化學動力學（反應路徑）模塊連接強度僅為0.32（滿分1），反映出知識碎片化問題。虛擬仿真系統(tǒng)日志分析揭示，學生高頻操作集中在參數調節(jié)（占比62%），而對催化劑失機機理、傳質過程等深層模塊停留時間不足15%，存在“重操作輕原理”傾向。

五、預期研究成果

技術成果層面，將形成包含3套優(yōu)化工藝的工程化應用包：非均相芬頓工藝采用Fe?O?@SiO?核殼結構催化劑，目標將連續(xù)運行周期延長至200小時以上，鐵泥產量降低50%；臭氧催化氧化通過堿金屬摻雜改性MnO?填料，DFT計算顯示摻雜K?后氧空位形成能降低0.8eV，羥基自由基產率提升60%；光催化氧化開發(fā)g-C?N?/TiO?異質結材料，可見光響應范圍拓展至550nm，降解效率提升至50%以上。配套編制《尾水深度處理工藝優(yōu)化指南》，包含技術選型決策樹、經濟性核算模型及運維故障診斷手冊。

教學資源體系將構建“虛實聯(lián)動”的立體化平臺：升級虛擬仿真系統(tǒng)新增“催化劑失活動態(tài)演示”模塊，通過顯微拍攝實時展示填料鈍化過程；開發(fā)AR交互式工藝拆解系統(tǒng)，實現反應器內部流態(tài)可視化；本土化案例庫收錄8項國內典型工程（如深圳某污水廠臭氧-生物活性炭工藝），配套運維日志與成本分析數據包。創(chuàng)新編寫《高級氧化技術工程實踐》特色教材，設計“現象-機理-調控”三維教學框架，每章嵌入工程韌性訓練任務。

能力培養(yǎng)成效預期通過量化指標體現：學生技術選型準確率從65%提升至90%，應急處理正確率從58%提高至80%，跨學科知識圖譜連接強度目標值0.75。教學成果將形成可推廣的“項目驅動+工程韌性”教學模式，預計輻射3-5所高校環(huán)境工程專業(yè)課程改革。

六、研究挑戰(zhàn)與展望

當前研究面臨三大核心挑戰(zhàn)：技術層面，催化劑穩(wěn)定性與經濟性的矛盾尚未根本解決，非均相芬頓的活性位點密度問題、臭氧催化填料的規(guī)?；苽涑杀局萍s著工程應用；教學層面，數字模擬與工程實踐的“認知斷層”需要突破，現有虛擬仿真系統(tǒng)對多污染物協(xié)同降解的動態(tài)模擬精度不足；資源層面，本土化工程案例的深度挖掘亟待加強，企業(yè)真實運維數據的獲取存在壁壘。

未來研究將聚焦三個方向深化：技術路徑上探索多技術協(xié)同優(yōu)化，如“芬頓預處理-光催化深度礦化”組合工藝，目標將總運行成本降低30%；教學創(chuàng)新開發(fā)“數字孿生”實驗平臺，接入污水處理廠實時水質數據，構建動態(tài)響應訓練場景；資源拓展建立校企聯(lián)合案例開發(fā)機制，通過“工程師駐校計劃”獲取一線運維經驗，計劃新增10項本土化工程案例。

長遠展望中，研究團隊致力于構建“技術-教學-產業(yè)”閉環(huán)生態(tài)：技術上推動催化劑再生技術產業(yè)化，開發(fā)可重復使用20次以上的改性填料；教學上形成“基礎認知-工程決策-創(chuàng)新應用”的能力培養(yǎng)體系；產業(yè)上對接地方環(huán)保部門需求，在3座污水處理廠開展中試示范，為尾水深度處理技術迭代與人才培養(yǎng)提供雙向賦能。

《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究結題報告一、引言

城市水環(huán)境治理的縱深推進，對污水處理廠尾水排放標準提出了更高要求。傳統(tǒng)二級生化處理工藝難以有效去除尾水中殘留的難降解有機物、微量新興污染物及氮磷營養(yǎng)鹽，導致受納水體生態(tài)風險持續(xù)累積。高級氧化技術憑借羥基自由基的強氧化能力，成為實現尾水深度凈化的核心路徑，其技術復雜性與工程實踐性對環(huán)境工程人才培養(yǎng)提出了全新挑戰(zhàn)。本研究立足產教融合視角，以高級氧化技術為載體，探索技術前沿與教學實踐的深度耦合，旨在構建一套契合行業(yè)需求、激發(fā)創(chuàng)新思維的教學體系，為水環(huán)境治理領域輸送兼具理論深度與工程韌性的復合型人才。

二、理論基礎與研究背景

高級氧化技術的教學研究建立在多學科交叉的理論基石之上?；瘜W層面，羥基自由基與污染物的反應動力學、自由基鏈式傳遞機制構成了技術原理解析的核心；材料科學領域，催化劑的表面改性、異質結結構設計直接影響氧化效率與穩(wěn)定性；環(huán)境工程視角下，水質特征與工藝參數的適配性關系、多技術協(xié)同優(yōu)化路徑則是工程應用的關鍵。國內外研究雖已揭示單一技術的降解機理，但針對不同水質場景的技術選型邏輯、催化劑失活過程的動態(tài)表征、以及教學場景中的知識轉化機制仍存在系統(tǒng)性空白。

研究背景呈現三重現實需求：政策層面，《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用規(guī)劃》明確要求提升尾水再生利用率，倒逼技術迭代與人才培養(yǎng)升級；產業(yè)層面，污水處理廠從“達標排放”向“生態(tài)功能恢復”轉型，亟需掌握多技術協(xié)同優(yōu)化的工程人才；教育層面，傳統(tǒng)教學模式偏重原理灌輸，缺乏對工程約束條件、經濟性權衡、運維管理復雜性的真實呈現，導致學生技術適配能力與工程決策素養(yǎng)不足。本研究正是在這一背景下，將技術突破與教學創(chuàng)新深度融合，探索環(huán)境工程教育的新范式。

三、研究內容與方法

研究以“技術深化—教學重構—能力驗證”為主線，構建了三位一體的研究框架。技術維度聚焦三大核心問題：非均相芬頓催化劑的穩(wěn)定性突破，通過核殼結構設計（Fe?O?@SiO?）與堿金屬摻雜改性MnO?填料，將連續(xù)運行周期延長至200小時以上，鐵泥產量降低50%；臭氧催化氧化的傳質強化，基于DFT計算優(yōu)化氧空位分布，羥基自由基產率提升60%；光催化氧化的光譜響應拓展，開發(fā)g-C?N?/TiO?異質結材料，可見光降解效率達50%。同步建立水質特征與工藝效能的定量關聯(lián)模型，形成包含技術選型決策樹、經濟性核算模型、故障診斷手冊的工程化應用包。

教學創(chuàng)新突破傳統(tǒng)知識傳授模式，構建“現象-機理-調控”三維教學框架。開發(fā)虛實聯(lián)動的教學資源體系：虛擬仿真平臺動態(tài)展示催化劑失活過程、反應器內流態(tài)變化及多污染物協(xié)同降解路徑；AR交互系統(tǒng)實現工藝拆解的沉浸式體驗；本土化案例庫收錄8項國內典型工程（如深圳某污水廠臭氧-生物活性炭工藝），配套運維日志與成本數據包。創(chuàng)新實施“項目驅動+工程韌性”教學法，以“尾水提標改造”虛擬項目貫穿教學全程，設置突發(fā)工況處理、資源約束優(yōu)化等任務，驅動學生完成技術選型、工藝設計、經濟性分析的全流程訓練。

研究方法采用多源數據交叉驗證。技術層面通過批次實驗、長期運行測試、原位表征（XPS、EEMs）獲取效能數據；教學層面依托對照組（傳統(tǒng)教學班40人）與實驗組（創(chuàng)新模式班42人）的對比實驗，采集虛擬操作日志、實體實驗響應數據、知識圖譜連接強度等指標；成效評估引入“工程韌性”評價體系，通過水質突變72小時應急處理實訓考核學生技術適配能力。最終形成技術成果與教學資源的雙向轉化機制，實現實驗室突破向課堂賦能的閉環(huán)。

四、研究結果與分析

技術成果層面，非均相芬頓工藝取得突破性進展。Fe?O?@SiO?核殼結構催化劑在連續(xù)運行200小時后活性保持率達85%，鐵泥產量較均相體系降低52%，XPS表征證實SiO?有效抑制Fe2?溶出。臭氧催化氧化通過K?摻雜MnO?填料，氧空位形成能降低0.8eV，羥基自由基產率提升62%，填料再生周期延長至20次。光催化氧化領域，g-C?N?/TiO?異質結材料將可見光響應拓展至550nm，腐殖類物質降解效率達51.3%，EEMs光譜顯示熒光峰面積衰減68%。工藝適配性研究建立包含12項水質指標的決策樹模型，針對高COD低氨氮尾水推薦臭氧-BAF耦合工藝，處理成本降低28%。

教學實踐形成可量化的能力躍升。實驗組（42人）技術選型準確率從65%提升至91%，應急處理正確率突破80%，跨學科知識圖譜連接強度達0.76。虛擬仿真平臺累計操作時長超3000小時，學生自主開發(fā)“多技術協(xié)同處理抗生素廢水”等創(chuàng)新方案15項，其中3項獲省級大學生創(chuàng)新競賽獎項。本土化案例庫收錄8項國內工程，深圳某污水廠臭氧-生物活性炭工藝的運維日志教學模塊，使學生成本核算誤差率從35%降至12%。AR交互系統(tǒng)上線后，反應器內部流態(tài)理解正確率提升45%，工程決策響應時間縮短40%。

產業(yè)轉化成效顯著。編制的《尾水深度處理工藝優(yōu)化指南》被3家環(huán)保企業(yè)采納，其中某水務公司應用非均相芬頓技術實現噸水處理成本降低0.8元。校企共建的“數字孿生”實驗平臺接入2座污水處理廠實時數據，構建動態(tài)響應訓練場景，培養(yǎng)的5名實習生已參與尾水提標改造項目。教學資源包輻射至4所高校，帶動環(huán)境工程專業(yè)課程改革，相關成果被《中國環(huán)境教育》專題報道。

五、結論與建議

研究證實高級氧化技術教學需突破“原理-實踐”二元割裂。技術層面，非均相催化劑改性、填料摻雜改性與異質結材料設計是提升效能的核心路徑，但規(guī)模化制備成本仍制約工程應用。教學實踐表明，“現象-機理-調控”三維框架結合虛實聯(lián)動的資源體系，能有效彌合認知斷層，培養(yǎng)工程韌性。本土化案例庫與動態(tài)故障模擬模塊是提升技術適配能力的關鍵支撐。

建議從三方面深化研究：技術領域需開發(fā)催化劑再生產業(yè)化技術，探索“芬頓-光催化-膜分離”多技術協(xié)同工藝，目標將綜合運行成本再降30%；教學方向應建立“工程師駐?！遍L效機制，將企業(yè)真實運維數據轉化為教學案例，開發(fā)基于數字孿生的應急處理訓練系統(tǒng)；產業(yè)層面推動技術標準與教學標準的協(xié)同制定，建議生態(tài)環(huán)境部將尾水深度處理技術納入環(huán)境工程專業(yè)核心能力認證體系。

六、結語

三年研究歷程中，我們見證高級氧化技術從實驗室突破向課堂賦能的蛻變。當學生通過AR系統(tǒng)親手拆解反應器，當非均相催化劑在污水處理廠連續(xù)穩(wěn)定運行，當本土化案例讓技術落地生根，這些瞬間印證了產教融合的磅礴力量。水環(huán)境治理的征途上，技術是利劍，教育是基石。本研究構建的“技術-教學-產業(yè)”閉環(huán)生態(tài)，不僅為尾水深度處理提供了創(chuàng)新方案，更為環(huán)境工程教育注入了工程實踐的鮮活血液。未來，我們將繼續(xù)深耕水污染治理前沿，讓每一滴凈化的水都承載著教育的溫度，讓每一位學子都能成為守護碧水青山的時代先鋒。

《城市污水處理廠尾水深度處理中高級氧化技術及其應用研究》教學研究論文一、摘要

城市污水處理廠尾水深度處理是水環(huán)境治理的關鍵環(huán)節(jié)，高級氧化技術憑借羥基自由基的高效降解能力成為突破傳統(tǒng)工藝瓶頸的核心手段。本研究立足產教融合視角，以芬頓/類芬頓、臭氧催化氧化、光催化氧化等主流技術為載體，構建“技術深化-教學重構-能力驗證”三位一體的教學體系。通過催化劑改性、填料優(yōu)化與材料設計，實現非均相芬頓催化劑連續(xù)運行周期延長200小時、臭氧催化填料羥基自由基產率提升62%、光催化材料可見光響應拓展至550nm；創(chuàng)新開發(fā)“現象-機理-調控”三維教學框架，融合虛擬仿真、AR交互與本土化工程案例，形成虛實聯(lián)動的教學資源包。教學實踐表明，該模式使學生技術選型準確率提升至91%，應急處理正確率達80%，跨學科知識整合強度達0.76，為環(huán)境工程教育提供了可復用的技術-教學協(xié)同范式。

二、引言

水環(huán)境治理的縱深推進倒逼污水處理廠從“達標排放”向“生態(tài)功能恢復”轉型，傳統(tǒng)二級生化處理對尾水中難降解有機物、微量新興污染物及氮磷營養(yǎng)鹽的去除效能已顯不足。高級氧化技術通過產生強氧化性羥基自由基，能夠無選擇性地礦化毒性物質，成為實現尾水深度凈化的關鍵技術路徑。然而，技術的復雜性與工程實踐性對環(huán)境工程人才培養(yǎng)提出了嚴峻挑戰(zhàn)：現有教學內容多聚焦單一技術原理，缺乏對技術適配性、經濟性權衡及運維管理復雜性的系統(tǒng)呈現，導致學生工程決策能力與技術創(chuàng)新意