本研究旨在利用虚拟仿真技术与真实的实验室操作实验相结合，通过《面向环境健康的污水处理系统虚拟仿真实验》，学生能够了解污水中的传统污染物和新污染物种类，熟悉污水处理系统工艺流程设计原理与参数调控，掌握传统污染物检测、新污染物测定及毒性分析技术、环境健康效应评估方法，提高实验设计和数据分析能力，培养AI技术应用于污水处理系统预测和优化能力，从而能够更好地应对污水处理系统的运行和管理问题。此外，本实验还将鼓励学生跨学科学习，将环境工程、环境科学、环境健康等多个学科进行有机融合，培养学生综合分析和解决问题的能力，提高其创新和创造能力，培养具有国际竞争力的高素质人才。
（1）了解污水中传统污染物和新污染物种类
学生能够了解污水中的传统污染物和新污染物种类，如氨氮、总氮、总磷、CODcr、BOD5、SS等传统污染物，以及抗生素、内分泌干扰物、微塑料等新污染物，具体包括定义、浓度、危害和标准。
（2）熟悉污水处理系统工艺流程设计原理与参数调控
学生应该能够熟悉污水处理系统设计方法，包括了解污水处理工艺类型、污水处理工艺流程的选择、剩余污泥处置工艺的确定、处理后污水的毒性测定和评估等技术方法和工具。
（3）掌握不同污染物测定及毒性分析技术
学生能够掌握传统污染物检测、新污染物测定及毒性分析技术、环境健康效应评估方法，包括实验药剂的选择、实验仪器的使用和校准、实验数据采集和处理、测定和分析等技术方法和工具。
（4）提高实验设计和数据分析能力
提高学生实验设计和数据分析能力，包括实验设计和方案的制定和改进、数据采集和处理的方法和技巧、实验结果和结论的分析和总结等能力。
（5）培养应用AI技术预测和优化污水处理系统能力
培养学生应用AI技术预测和优化污水处理系统能力，包括采用机器学习和深度学习预测污水处理效果、优化污水处理系统能力，以及污水处理系统的运行和管理能力。
（1）实验的必要性及实用性
随着经济的快速发展，我国化学品的生产和使用逐年增加，以抗生素、内分泌干扰物、微塑料为代表的新污染物不断涌现。相对于传统污染物，新污染物来源更为复杂、赋存更为多样、危害更为隐蔽，正逐步成为制约水环境质量持续深入改善的难点和瓶颈。我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确指出要加强新污染物治理，2022年5月国务院制定了《新污染物治理行动方案》，2022年12月生态环境部等六部门发布了《重点管控新污染物清单（2023 年版）》。2023年7月，习近平总书记在全国生态环境保护大会明确指出，把新污染物治理作为国家基础研究和科技创新的重点领域。
因此，污水处理系统在保证传统污染物达标基础上，亟需同时关注新污染物的降解效果及环境健康效应。污水处理系统需兼顾传统污染物和新污染物共同削减，降低污水处理系统能耗，实现污染物去除效能提高、碳减排与新污染物毒性控制协同优化，为"碳达峰、碳中和"目标贡献力量。
传统污水处理实验教学具有以下局限性：1）污水处理系统的工艺类型较多、需检测的水质指标多、调试运行周期长，短期的实验教学难以满足多目标训练需求；2）污水处理系统中传统污染物（氮、磷、CODcr等）测定无法反映新污染物（抗生素、内分泌干扰物、微塑料等）的生态毒性，缺乏环境健康效应评估能力；3）污水处理系统中新污染物的测定分析及毒性实验耗时长、且存在安全风险。
本科生课程《环境工程制图》与《环境工程设计》中的主要教学内容为“面向环境健康的污水处理系统”，因此指导环境工程、环境科学和环境健康专业的学生在虚拟教学平台上通过虚实结合的手段、通过大量场景、只需几个课时的操作，可以实现实验室中难以模拟的真实污水处理系统工艺流程设计及调试运行（几个月到几年）、多种水质指标检测、新污染物测定及毒性分析等。通过虚拟仿真实验模拟污水中传统污染物和新污染物处理全流程，学习污水处理系统工艺流程（物理、生物、化学法）的设计原理与参数调控，重点关注新污染物处理后对环境健康的影响；培养AI技术应用于污水处理系统预测和优化的能力，掌握环境健康效应评估方法（新污染物毒性测试等），是必要的且具有实用性的，关系到人类的未来。
（2）教学设计的合理性
1）教学目标明确
通过虚拟与实际结合的实验操作，让学生深入了解污水处理系统的相关知识和实验技术，提高学生的实验操作技能和科研素养。同时，该实验还能够培养学生的批判性思维能力和解决实际问题能力，为今后的工作和学习奠定坚实的基础。
2）实验内容具有针对性和实用性
学生通过虚拟实验，第一视角了解不同污水处理系统组成和操作参数，掌握污水处理实验方法和操作流程。教学内容涉及《环境工程制图》和《环境工程设计》等课程。实验场景案例为污水处理系统工艺流程设计及调试运行、多种水质指标检测、新污染物测定及毒性分析的工作场景，污水来源为每个公民排放的生活污水和工业企业排放的工业废水，这些实验内容与实际生活和工作密切相关，具有很强的实用性。
3）实验教学方法科学合理
采用虚拟仿真技术，可以在安全和环保的前提下进行污水处理系统水质检测，新污染物处理后的毒性分析和评估，节省教学成本；同时，该实验教学方法虚实结合，与真实实验室相关联，培养学生学科专业能力；此外，采用AI技术，培养学生应用AI技术预测和优化污水处理系统的能力。
4）实验流程规范严谨
包括实验前准备、实验操作、实验数据记录和实验结果分析等多个环节。这些环节都需要学生认真执行，严格遵守实验操作规程，确保实验结果的准确性和可靠性。
（3）实验系统的先进性
1）基于虚实结合互补的虚拟仿真技术
首先，该实验中部分场景（如水质检测和分析）在实验室真实存在，实验室中配备了检测试剂、通风橱、先进的色谱分析仪器和设备等，学生能够处理和分析真实实验室中获得的实验数据。其次，所有场景难以在有限的实验室环境真实复现，因此学生可以在虚拟仿真实验中学习研究真实实验室难以模拟的场景，例如：污水处理系统全流程包括污水预处理系统、污水生物处理系统、剩余污泥处理系统、污水深度处理系统等，学生可以学习不同类型的污水处理系统，还可以组合设计不同污水处理工艺流程，并进行污水处理系统的调试运行等；学习虚拟仿真技术模拟的污水中传统污染物和新污染物处理全流程，掌握新污染物毒性测试和分析等方法，培养具备理论与实际相结合的创新人才。
2）面向环境健康的实验系统创新设计
主要包括初级模块“污水处理系统工艺流程设计与传统污染物测定分析”、高级模块“污水处理系统新污染物测定分析与健康效应评估”、以及拓展模块“AI技术应用于污水处理系统预测和优化”。突破传统实验以"污水处理出水传统污染物达标"为终点的局限，新增出水生物毒性测试等实验，实现从氮、磷、CODcr等传统污染物去除到传统污染物和新污染物同时去除的环境健康效应验证。课题负责人在水污染控制领域深耕多年，本实验系统的设计是基于课题负责人及授课团队前期在面向环境健康的污水处理系统科学实验和AI相关研究的积累，这些前期研究经验和教科书中的教学内容融合嵌入于智慧化、可定制化的虚拟实验平台中。与传统的教科书相比，该实验系统不仅提供了专业知识的学习，还涵盖了最新的科学研究成果，让学生了解该领域的全球研究热点，帮助学生理解“污水处理-环境健康-可持续发展”的关联。
3）基于多重结果的开放性和随机性场景设计
污水处理系统的虚拟仿真场景设计成具有开放性和随机性的多重结果，学生可以自由组合污水处理系统，如污水预处理系统、污水生物处理系统、剩余污泥处理系统、污水深度处理系统的建（构）筑物；设计不同污水处理工艺，如传统工艺A/O、A/A/O和SBR，新工艺SBBR、厌氧氨氧化等；还可以对每个污水处理单元进行水质检测、传统污染物和新污染物降解效果预测和优化、工艺参数调控及健康效应评估；因此产生千变万化的随机结果，与实际实验室中可预计的实验结果相比，更符合实际环境的复杂性。此外，针对学生的错误操作，虚拟仿真模拟会同样给出该错误操作所导致产生的严重后果，从而给学生留下直观的、深刻的印象和教训。对于非常优秀的实验操作，学生首次给出了一个最新的、有意义的案例，系统会自动将其设置为优秀学生案例，供其他人学习。
4）基于多地协同的共享性试验系统
本虚拟仿真实验教学项目拟接入国家实验空间（ilab-x.com），不仅可以离线或本地使用，还能实现多用户、分布式的共享模式。这意味着学生们可多名用户在同一时间内连接到系统，同时参与虚拟实验，并且该系统不限于本地使用，而是可以在全世界任何一个角落通过互联网连接到实验系统，而不必亲身到实验室观摩学习。这种多用户、分布式的共享模式不仅扩大了实验的覆盖面，可以更广泛地推广实验教学，而且通过多用户、分布式的共享模式，学生们有机会与来自不同国家和地区、不同文化背景的同学进行学术交流与合作，促进国际间的跨文化学习和交流。
（1）实验原理
《面向环境健康的污水处理系统虚拟仿真实验》的实验基于多种技术，主要包括虚拟仿真技术、污水处理系统模拟技术、传感器技术、AI技术等。具体原理如下：
知识点：共 6 个
1）污水中传统污染物类型及浓度
污水处理厂接收并处理的污水中传统污染物的类型不同、且浓度也不同。不同传统污染物的危害不同，且处理后出水标准也不同。如氨氮，引起水体黑臭的主要污染物之一，原污水中浓度范围为20 – 50 mg/L，《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级出水标准为小于5 mg/L。
2）污水中新污染物的类型及浓度
污水处理厂接收并处理的污水中新污染物的类型不同、且浓度也不同。不同新污染物的危害不同，国外已有处理后出水标准。如抗生素，具有内分泌干扰性、生物累积性、慢性毒性等特点，原污水中浓度ng/L – ug/L数量级，国内虽还未出台相关处理后出水标准，但2035年远景目标纲要明确指出要加强新污染物治理。
3）传统污染物和新污染物测定分析
污水中氨氮、总氮、总磷、CODcr、BOD5、SS等传统污染物采用国标方法《水和废水监测分析方法（第四版）》进行测定分析，污水中抗生素、内分泌干扰物、微塑料等新污染物需预处理后，采用液相色谱质谱仪、气相色谱质谱仪等进行测定分析。
4）新污染物的毒性分析及健康效应评估
污水中新污染物的种类不同、浓度不同，其毒性测试结果也不同。如可降解微塑料聚乳酸，在降解过程中产生大量低聚物，分析聚乳酸及其低聚物的生物毒性，并评估环境健康效应。
5）AI技术应用于污水处理系统预测
采用AI技术对污水处理系统进行预测，不同的机器学习模型可能给出不同的预测结果。例如，MLR模型的训练R²为0.497、测试R²为0.459，显示出有限的预测能力；而RF模型的训练R²为0.775、测试R²为0.829；因此需要合理选择模型。
6）AI技术应用于污水处理系统优化
采用AI技术对污水处理系统进行优化，根据原污水水质指标及控制参数预测出水水质指标基础上，通过自动调控操作参数优化污水处理效果，达到降低能耗、减少碳排放的目标，为污水处理系统的运行和管理提供有力支持。
（2）核心要素仿真设计
1）原污水水质模型
该模型需要真实反映出污水中的传统污染物和新污染物种类，如氨氮、总氮、总磷、CODcr、BOD5、SS等传统污染物，以及抗生素、内分泌干扰物、微塑料等新污染物，具体包括定义、浓度、危害和标准。
2）污水处理建筑物模型
该模型需要真实反映出污水处理建筑物的种类和功能，如污水一级处理系统中的污水提升泵房，房间内安设无堵塞污水提升泵，用于提升污水从粗格栅至细格栅；污水生物处理系统中的鼓风机房，房间内安设鼓风机，为曝气池提供所需空气。
3）污水处理构筑物模型
该模型需要真实反映出污水处理构筑物的种类和功能，如污水一级处理系统中的沉砂池，包括钟式沉砂池、曝气沉砂池、平流沉砂池等，钟式沉砂池中安设立式搅拌机，用于分离污水中的砂粒；污水生物处理系统中的曝气池，包括缺氧池、好氧池等，好氧池中安设管式曝气器等，为微生物提供生存所需氧气。
3）污水处理设备模型
该模型需要真实反映出污水处理设备的种类和功能，如回转式格栅除污机，用于去除污水中的大颗粒悬浮物，保护后续处理设施；阶梯式格栅除污机，用于去除污水中的小颗粒悬浮物，保护后续处理设施，提高污水处理效率；排砂泵和砂水分离器，用于分离污水中的砂粒，并回收利用。
5）传感器模型
该模型需要真实反映出污水处理传感器的种类和功能，如在线pH计，安设于调节池、曝气池、清水池等构筑物中，能够实时监测污水的pH，并将数据传输到中央控制室的电脑终端；在线DO仪，安设于曝气池中缺氧区和好氧区、好氧稳定池等构筑物中，能够实时监测池中的DO浓度，并将数据传输到中央控制室的电脑终端。
6）AI预测和优化模型
该模型需要真实反映出污水处理系统的种类和功能，并进行处理效果的预测及优化。如污水一级处理系统，采用物理方法去除污水中的悬浮颗粒物等无机污染物；污水生物处理系统，采用生物方法去除污水中的氮、磷、CODcr等有机污染物；污水深度处理系统，采用化学方法去除污水中的抗生素、内分泌干扰物、微塑料等新污染物。
基于污水处理系统仿真模型，开展水质指标检测分析实验，新污染物毒性分析实验，AI预测出水水质指标，通过自动调控操作参数优化污水处理效果，达到降低能耗、减少碳排放的目标，为污水处理系统的运行和管理提供有力支持。
（1）实验前准备
教师介绍虚拟仿真实验的相关背景知识，包括原污水中传统污染物和新污染物的来源、排放浓度和危害，不同污水处理工艺原理、水质指标测定分析技术、环境健康效应评估方法、AI技术等相关知识。
（2）实验步骤
1）学生进入虚拟仿真实验平台，根据实验任务完成选择场景，导入污水处理建筑物模型、构筑物模型、设备模型和原污水水质模型。场景包括污水预处理系统、污水一级处理系统、污水生物处理系统、污水深度处理系统等。
2）学生点击生成场景，根据系统内置实验手册设置原污水水质参数，例如：氨氮35 mg/L、总氮50 mg/L、总磷5 mg/L，CODcr 400 mg/L，BOD5 180 mg/L，内分泌干扰物双酚A 10 ug/L等。学生可合理地增加新污染物，若实验手册中未提供的新污染物，学生根据参考文献设置合理的浓度，并提供依据。
3）学生对建筑物模型、构筑物模型、设备模型的结构和功能进行分析，根据场景类型，点选合适的建筑物模型、构筑物模型、设备模型并在操作平台上放置于合理的安装位置，例如：污水一级处理系统，除了选择粗格栅、污水提升泵房、细格栅、沉砂池，还需加装排砂泵、砂水分离器等设备；污水生物处理系统，除了选择初沉池、曝气池、鼓风机房、二沉池，还需加装刮泥机、鼓风机、曝气系统等设备。
4）学生根据前面设置中的建筑物形式、构筑物形式、传统污染物类型、新污染物类型、污水处理工艺等，确定在线检测仪表的安设位置，如在曝气池中安设在线pH计、在线DO仪等检测仪器。
5）学生启动场景，传统污染物和新污染物在污水处理系统中迁移转化，根据设置自动控制运行，在线pH计、在线DO仪等启动监测，数据实时传输到中央控制室的电脑终端，电脑屏幕显示污水水质参数的逐时变化和毒性测试参数。
6）学生根据处理后的污水水质指标和毒性测试结果，分析污水处理效果及环境健康效应，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）等标准，决定是否需组合不同污水处理系统、或者改变污水处理系统中的工艺流程等。并观察污水处理系统出水水质指标变化及环境健康效应变化；如未改善，继续调整。
7）学生根据原污水水质指标、模拟处理后出水水质指标，以及pH、DO浓度、C/N比等操作参数、通过AI技术构建的模型对污水处理系统进行预测和优化，根据原污水水质指标及控制参数预测出水水质指标，并通过调控操作参数优化污水处理效果。
8）学生记录保存全部实验数据并分析结果,完成试验后，撰写实验报告，完成复述整个实验过程，包括：污水处理场景、传统污染物浓度、新污染物浓度、污水处理系统组合、污水水质测定方法等；并通过实验平台上的数据分析工具，评估不同污水处理系统选择处理工艺的要点、污水处理效果、环境健康效应等；在此基础上，学生深入思考，提出改进建议、或者设计更科学的未来方案，从而巩固和扩展所学知识。
（1）学生交互性操作步骤，共 10 步
步骤序号 | 步骤目标要求 | 步骤合理用时 | 目标达成度赋分模型 | 步骤满分 | 成绩类型 |
1 | 学生观看视频、自学系统使用方法和正确的实验引导视频 | 10 min | 操作准确度和任务完成度 | 5 | ■操作成绩 ■实验报告 |
2 | 清楚描述传统污染物和新污染物的类型与特征、以及污水水质标准 | 10 min | 操作准确度和任务完成度 | 5 | |
3 | 明确了解建筑物模型、构筑物模型、设备模型，并做出正确选择布置 | 1.5 h | 操作准确度和任务完成度 | 20 | |
4 | 根据不同场景特点和功能，能够正确选取在线仪器仪表，并设置于合理的位置 | 10 min | 操作准确度和任务完成度 | 5 | |
5 | 掌握如何合理设计污水处理工艺流程，确定适合的污水处理系统 | 1.5 h | 操作准确度和任务完成度 | 20 | |
6 | 掌握新污染物毒性测试方法，分析污水处理效果及环境健康效应。 | 30 min | 操作准确度和任务完成度 | 10 | |
7 | 掌握如何设置新污染物处理后的毒性预警，进行预警信息处理 | 10 min | 操作准确度和任务完成度 | 5 | |
8 | 掌握AI技术如何预测污水处理系统，并通过调控操作参数优化污水处理效果。 | 1.5 h | 操作准确度和任务完成度 | 20 | |
9 | 能够分析并评估污水处理效果，并提出相应的改进方案和建议 | 10 min | 操作准确度和任务完成度 | 5 | |
10 | 实验报告完成度良好，并可进行讨论和分享 | 10 min | 操作准确度和任务完成度 | 5 |
（2）交互性步骤详细说明
1）观看视频、自学系统使用方法和正确的实验引导视频
该步骤的主要目标是让学生在进入虚拟仿真实验系统之后，了解系统的界面和功能按钮。用户需要熟悉虚拟仿真实验系统的整体布局和各个功能模块的位置，以便于后续的操作。例如，用户需要了解如何打开和关闭实验场景，如何添加或删除建筑物模型、构筑物模型、设备模型等。
2）清楚描述传统污染物和新污染物的类型与特征、以及污水水质标准
该步骤的主要目标是让学生了解原污水中传统污染物和新污染物的来源、排放浓度和危害，清楚描述传统污染物和新污染物的类型与特征、以及污水水质标准。
3）明确了解建筑物模型、构筑物模型、设备模型，并做出正确选择布置
该步骤的主要目标是让学生明确了解建筑物模型、构筑物模型、设备模型的结构和功能，并做出正确选择布置于不同污水处理系统中。例如，污水一级处理系统包括粗格栅、污水提升泵房、细格栅、沉砂池、排砂泵、砂水分离器等；污水生物处理系统包括初沉池、曝气池、鼓风机房、二沉池、刮泥机、鼓风机、曝气系统等。
4）能够正确选取在线仪器仪表，并设置于合理的位置
该步骤的主要目标是让学生根据不同场景特点和功能，能够正确选取在线仪器仪表，并设置于合理的位置。学生根据前面设置中的建筑物形式、构筑物形式、传统污染物类型、新污染物类型、污水处理工艺等，确定在线检测仪表的安设位置，如在曝气池中安设在线pH计、在线DO仪等检测仪器。
5）掌握如何合理设计污水处理工艺流程，确定适合的污水处理系统
该步骤的主要目标是让学生掌握如何合理设计污水处理工艺流程，确定适合的污水处理系统。例如，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）等标准，决定是否需组合不同污水处理系统、或者改变污水处理系统中的工艺流程等。
6）掌握新污染物毒性测试方法，分析污水处理效果及环境健康效应
该步骤的主要目标是让学生掌握新污染物毒性测试方法，根据处理后的污水水质指标和毒性测试结果，分析污水处理效果及环境健康效应，并观察污水处理系统出水水质指标变化及环境健康效应变化。
7）掌握如何设置新污染物处理后的毒性预警，进行预警信息处理
该步骤的主要目标是让学生掌握如何设置新污染物处理后的毒性预警，进行预警信息处理。添加预警系统的情况下，预警系统对污水处理系统出水的环境健康效应预测准确性将对整个实验结果产生重要影响。如果“暴露-响应”的关联机制选择正确，那么预警系统就能够准确地预测到毒性超标，然后采取适当的调控措施，便可及时避免新污染物对环境健康造成的影响。
8）掌握AI技术如何预测污水处理系统，并通过调控操作参数优化污水处理效果
该步骤的主要目标是让学生根据原污水水质指标、模拟处理后出水水质指标，以及pH、DO浓度、C/N比等操作参数、通过AI技术构建的模型对污水处理系统进行预测和优化，根据原污水水质指标及控制参数预测出水水质指标，并通过调控操作参数优化污水处理效果，达到降低能耗、减少碳排放的目标。
9）能够分析并评估污水处理效果，并提出相应的改进方案和建议
该步骤的主要目标是让学生根据实验结果，对污水处理效果进行评估和分析，包括传统污染物和新污染物的类型与特征、不同污水处理系统等对处理效果的影响等。根据评估结果，提出相应的改进方案和建议，如增加污水深度处理系统、改变污水处理工艺流程等，以提高污水处理效能。
10）实验报告完成度良好，并可进行讨论和分享
根据实验过程和结果，撰写实验报告，包括实验的目的、方法、过程、结果、分析和结论等内容。在讨论和分享环节，学生可以分享自己的实验经验和感受，交流和比较不同污水处理系统的优缺点，提高对环境健康的认识和理解。
（1）在原污水水质不同的情况下，污水处理系统出水水质也不同。例如，仅有生活污水排入的污水处理厂，采用传统的A/O工艺可以达标排放，但有工业废水排入的污水处理厂，新污染物浓度高、种类多，需要多种工艺组合，才能达标排放。
（2）在污水中含多种新污染物的情况下，仅采用二级生物处理系统，难降解新污染物的降解效果可能会较差，降解产物可能会对水生生物产生较大的毒性，需要组合深度处理系统后，再进行毒性测定。
（3）在采用AI技术对污水处理系统进行预测时，不同的机器学习模型可能给出不同的预测结果。例如，MLR模型的训练R²为0.497、测试R²为0.459，显示出有限的预测能力；而RF模型的训练R²为0.775、测试R²为0.829；因此需要合理选择模型。
（4）添加预警系统的情况下，预警系统对污水处理系统出水的环境健康效应预测准确性将对整个实验结果产生重要影响。如果“暴露-响应”的关联机制选择正确，那么预警系统就能够准确地预测到毒性超标，然后采取适当的调控措施，便可及时避免新污染物对环境健康造成的影响。
研究方向：水污染控制方法及机理
电邮：lihongjing@fudan.edu.cn
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