融入綠色工程教育助力實驗室“三廢”無害化處理

馮之沖，張 悅，b，莊英萍，常雅寧，姜 郡，包家銘

（華東理工大學a.生物工程學院；b.生物工程學院發酵工程實驗教學中心，上海 200237）

0 引言

綠色工程教育，是將綠色環保的理念和傳統的工程教育結合起來，旨在培養相關工程人才的同時，提高他們的綠色環保意識，實現可持續發展。早在20世紀60年代，西方許多國家就意識到了綠色發展的重要性和必要性，就已有一些比較系統的綠色工程教育體系。而在我國，雖然許多大學提出綠色發展、可持續發展的理念，也嘗試過相關的實踐和研究，但總體來說并沒有引起足夠重視，沒有得到良好的推進。傳統的工程教育主要關注工程技術為人類社會帶來的經濟、政治等方面的價值，忽視了其對環境、資源等方面的負面影響。隨著社會的發展，人們也越來越意識到綠色環保的重要性。綠色工程教育的內涵包括了以下兩個方面：①通過開設綠色教育的相關課程，喚起學生的綠色環保意識，使他們樹立起人與自然和諧相處，可持續發展的生態價值觀和以人為本的社會價值觀。② 工程是人類適應自然，改造自然的過程，將傳統的工程教育與現代的綠色生態觀結合起來，形成體系化教育，用于培養相關人才，建設資源節約型、環境友好型社會。綠色工程教育的特征有4點：①以人為本的教育觀，以培養人才為出發點，參與工程改造，以造福人類為最終目的。因此以人為本中的“人”有兩層概念，一層指接受教育的人，使其獲得工程技術和綠色環保意識，一層指人類社會，綠色工程是為了人類更好、更久地在地球上生存。②可持續發展的工程觀，即培養學生在不破壞環境和危害子孫后代的情況下利用資源，改造社會。③科學與人文交融的教學觀，即在教育過程中將過程技術與人文社會結合起來，使得科學與人文交融，培養具有人文情懷和環保意識的技術工程師。④ 人與自然和諧發展的生態觀。人不是地球的主宰，而是地球的一部分，誕生于自然，依賴于自然，因此，在發展過程中，要遵循自然規律，與自然和諧共處［1］。十八屆五中全會以來，綠色發展成為我國發展目標之一，因此，綠色工程教育顯得尤為重要，學校要把綠色和教育結合起來，從學生抓起，培養其綠色環保意識，增強其生態保護責任感，努力把中國建設成富強美麗的社會主義現代化強國［2-4］。

對于高校理工科類的專業來說，實驗教學是培養方案中必不可少的部分，教學培養目標中明確指出要掌握先進的實驗技能，同時設立了全國大學生創新創業訓練計劃、寒暑假社會實踐、各種實驗相關的短學期課程、學科競賽、專業實習等一系列有助于提高學生實驗動手能力的項目。實驗教學作為學生將理論應用于實踐的重要方式，有利于學生更準確、更直觀、更有效地理解和記憶各種理論基礎，效率遠高于簡單機械地死記硬背。同時，實驗教學作為理工科專業的教學特色之一，可以廣泛提高被教育者的專業興趣，使其更加專注地投入到相關專業的學習中去。實驗教學唯一的不足之處就在于過程中會產生大量的實驗垃圾即實驗“三廢”，污染環境且危害安全。實驗“三廢”具體指在實驗教學、科研時產生的廢氣、廢液以及固體廢棄物。廢氣即實驗過程中因實驗試劑的分解、反應、揮發所產生的氣體，分為刺激性有毒氣體和窒息性氣體兩大類。廢液即實驗過程中產生的液體廢棄物，包括一般性廢水（主要源于清洗儀器，含少量化學物質）和實驗性廢水（實驗過程中產生的廢棄化學試劑）。固體廢棄物的范圍很廣，包括各種廢棄實驗儀器、實驗材料、固體試劑等［5］。不同于一般的生活垃圾，實驗“三廢”由于含有各種化學物質，如果處理不好，可能會造成化學污染、生物污染等多種污染，部分易燃易爆的廢氣廢固還可能導致火災、爆炸等嚴重事故［6］。

1 高校實驗“三廢”的處理現狀

實驗“三廢”本身具有復雜性和不確定性，目前高校對于實驗“三廢”的處理存在著分類不合理、標識不清晰、監管不到位、處理機構少、處理成本高等諸多問題。近年來，我國不斷重視環境污染，逐漸意識到妥善處理實驗“三廢”的重要性和必要性，政府、企業和各高校也在逐步探索處理體系的構建［7-8］，采取了很多措施，對實驗“三廢”進行整治，得到了較好的改善，但是，教學規模的不斷擴大，實驗、實踐課程的不斷增加，科研項目數量和規模的不斷發展，帶來的不僅僅是教育的繁榮和科技的進步，還有實驗廢物的污染問題和有毒、有害材料的安全隱患［9］。

1.1 目前的處理方式不科學

廢氣相對來說是實驗“三廢”中最容易被忽視的，其大多產生于化學實驗室，其中污染和危害性比較大的氣體，比如氯氣、氨氣、一氧化氮等有毒或腐蝕性氣體，實驗室大多經過簡單處理甚至直接通過通風櫥、排氣扇排至室外，長此以往，會對大氣帶來嚴重的污染［10］。廢液廢固則相對可見，實驗室也基本都會有專門的廢液廢固收集桶，但是也有不少實驗室相對不夠重視，存在收集桶滿了不能及時處理更換，學生環保意識弱，實驗時直接丟棄或倒入下水道等現象。廢液廢固來源廣種類多，各類實驗室都會產生且如果不進行有效分類和前期處理，僅僅是簡單的收集，然后填埋、焚燒或者傾倒，會造成更大的環境破壞和資源浪費［11-12］。

1.2 必要的監管體系不健全

在實驗室師生的環保意識、節約意識、時間分配不夠時，必要的監管就顯得尤為重要，但目前很多實驗室的監管并未完善，獎懲體系也不完善，為省時省力不恰當處理實驗廢物的情況屢有發生。

1.3 處理的專項資金不充足

學校投入實驗室的資金大多用于科研投入、實驗室建設、相應實驗儀器設備的維護和更新上，在實驗“三廢”的處理方面投入甚少，加上目前我國環保專業處理機構稀缺，處理方法落后，因此處理成本高，處理難度大，出現實驗室有心處理、機構無力接收等現象［13-14］。

2 實驗“三廢”實現源頭減量和無害化處理

綠色工程教育與實驗教學融合，從源頭上減少實驗“三廢”的排放，貫徹“以防為主，防治結合”方針。針對參與實驗“三廢”的五個層面，即學生、老師、高校、政府、企業，深入進行內在關聯性分析，以“學生產生-老師管理-高校設計-政府主導-企業處理”為主線，設計了學生、老師、高校、政府、企業“五位一體，一環相貫”的源頭減量和無害化處理，即學生綜合企業的處理要求按照老師的指導在產生后進行分類，老師綜合高校的處理方案指導學生的同時完成管理工作，高校綜合政府教育部門的主導方針設計方案并且培訓老師，政府綜合現有企業的處理能力管理高校（見圖1）。

圖1 “五位一體，一環相貫”思路圖

2.1 學生—提高環保與安全意識

學生是實驗的實施者，也是實驗“三廢”產生者。針對化工、化學、生工、藥學、機械等產生實驗“三廢”多的專業，為學生設置綠色工程教育相關的必修或者選修課程，觀看相關實驗視頻，對其開展綠色工程教育，使其了解實驗廢物的分類收集，增強其環保和安全意識的同時讓其在實驗前了解實驗中的潛在危險，在進行實驗時能夠更加得心應手，減少實驗錯誤和實驗資源的浪費，減少安全隱患。

2.2 老師—利用微信小程序強化實驗用品管理

老師對實驗用品的管理，包括對未用物品的妥善保存、對在用物品的合理使用和對已用物品的“三廢”分類，即實驗室的用品在儲存期、使用期及變成“三廢”后都由老師管理，費時費力。隨著共享經濟的發展和深入，高校實驗室實施信息化管理，為提高“三廢”處理效率，實驗室利用微信小程序里的“統計助手”，以實驗員為主要填報人，在實驗室有剩余的，無法長期保存的實驗材料、實驗試劑或不易處理的實驗余料時，登記在案，并設置消息提醒，供有需要的其他對口實驗室接收使用，實現校內互通有無、資源共享。具體通過微信小程序里的“統計助手”創建統計表單，按照自己的要求設置各項統計所需信息，如姓名及手機號、單位及地址、共享實驗材料信息、回收實驗材料信息等，設置結果參與者可見并發布于實驗室群內，操作界面如圖2所示。

圖2 微信小程序“統計助手”操作界面

2.3 高校—精簡優化設計綠色無污染實驗

高校是實驗設計的主體，著眼于對實驗課程的優化，分別從學校和學院的視角出發梳理專業內容：①精簡一些重復、不必要或者實驗材料污染性大、實驗過程危險性大的實驗。② 分組進行復雜、難度大的實驗，這樣既鍛煉了學生的分工合作能力，又減少了實驗的產生次數，節約了實驗資源。③縮減實驗的體量，開發微型迷你實驗項目，在確保實驗完整性與實驗效果的基礎上，可以減少實驗材料的用量、減少資源浪費和環境污染。④ 改變傳統實驗模式，結合虛擬現實（VR）技術，進行虛擬仿真實驗。近年來隨著科技的進步和5G的發展，VR進入了人們的學習生活中，應用VR可進行高污染、高危險、難實現的實驗，同時實現實驗零污染、零消耗，類似游戲的操作和界面還能極大地激發學生的實驗興趣，學校間還能通過增加賬號實現資源共享［15］。

2.4 政府—制訂“三廢”處理的政策法規

政府作為樞紐和主導者，應出臺相應政策法規，加大對實驗“三廢”治理的扶持力度，鼓勵相關企業和人才主動加入實驗“三廢”的研究與利用中去。同時，政府需要加強監管力度，盡快建立以政府主導的政府監管——實驗室收集——企業治理體系，將實驗“三廢”變廢為寶，減少環境污染和資源浪費［16-17］。

2.5 企業—協作共建“三廢”處理體系

當前我國專業處理機構稀缺，處理成本高，且相關人員意識薄弱，對很多實驗室的廢棄資源只進行簡單處理后便直接丟棄，造成資源浪費的同時，也帶來了很多環境問題。相關企業應與高校實驗室建立合作關系，由企業出資金，高校實驗室出技術和人才，研究新型高效的實驗“三廢”處理方法，降低處理難度，減少處理成本，構建以專業為導向的處理體系。

實踐表明，決定“三廢”產量的3個因素是實驗課數量、實驗組數、每組的產量。為減少實驗室“三廢”污染，實行無害化處理，學校實行多種舉措。①將部分有毒有害實驗采用虛擬仿真或者使用虛擬現實（VR）技術，減少實驗課污染或無污染。② 開展綠色微量實驗，減少試劑和廢棄物產生。在實驗過程中，通常發現，學生得到20ml的產物，但是最終比色皿測定吸光值往往只需要5ml，其余均浪費了。在微量移液非常普及和小體積容器種類非常多的當下，大多數實驗試劑減半也可以看到實驗結果、達到實驗目的，甚至可以利用酶標儀開發用量更少的小反應體系，或者其他微型迷你實驗。③實行信息化管理，達到試劑共享共存。在微信小程序“統計助手”的協助下，剩余試劑被利用，余量內部共享即為減少污染。考慮到單一種類或者少數種類廢液較之多數種類可以大大降低企業處理難度和風險，提高處理效率和無害化可能，高校實驗室主管部門牽頭開展廢液精細分類，各實驗室合并存放管理，包括設立固定存放場所、實驗老師輪流值班、利用上述微信小程序預約和統計。④實施多種形式無害化處理。按學期或者半學期對本科實驗教學固定的廢液種類逐一審查，確定回收能力和回收方式，例如對于硫、磷等酸性氧化物氣體，可通入堿液吸收后排出；對于含有汞的廢氣可通入高錳酸鉀溶液吸收；對于含汞廢液可加入過量硫化鈉沉淀，再加入硫酸亞鐵共沉淀，然后靜置分離后排放，回收殘渣。

3 結語與展望

實驗室承載著培養國家前沿技術和科研人員的重任，實驗室的衛生、安全、實驗“三廢”處理、實驗人員的人身安全和實驗室的正常使用同樣重要，也與我國環境的綜合整治息息相關。高校實驗室主管部門在國家環境保護總局下發的《關于加強高等學校實驗室排污管理的通知》的通知的指導下，積極組織各實驗室，減少產量、精細分類、與處理企業精準對接，保證實驗室安全有序地使用，促進國家科技的進步和資源的合理利用，在保持高速發展的同時不破壞環境，實現人與自然和諧相處。

·名人名言·

自然科學的理論不能離開實驗的基礎。“勞心者治人，勞力者治于人”的重理論、輕實驗的落后思想，對發展中國家的科學青年有很大的害處。

——丁肇中