基于污泥處理科學研究的本科教學實驗設計研究

張 偉 王 晨 左其亭

（1 鄭州大學生態與環境學院 河南鄭州 450001;2鄭州大學水利科學與工程學院 河南鄭州 450001）

污泥是一種較為特殊的固廢，為廢水凈化過程產生的、富含水分的、具有流動性或塑性的廢物[1]。目前，隨著廢水處理技術的推廣應用與發展，污泥的產生量越來越大，種類和性質也變得愈加復雜[2]。污泥中濃縮了廢水中有毒有害物質，所以污泥是影響環境較為嚴重的固體廢棄物[3]，污泥的合理化處理和處置是目前研究的熱點和難點。近年來關于“污泥”主題發表的論文呈逐年增加的趨勢（如圖1所示，見知網），且對于污泥的研究多集中在污泥脫水。

圖1 近年來關于“污泥處理”的論文發表量變化及發表論文的主題分布

國內實驗室對污泥處理進行科學研究的平臺大量建立，同時也有一大批研究污泥處理的高校教師及工程師。若能基于目前較大量的關于污泥處理的科研平臺和科學研究人員開展與“污泥處理”相關的《固體廢物處理與處置》（以下簡稱《固廢》）本科教學實驗，具有較大優勢。

一、基于污泥處理科研平臺進行本科教學實驗的優勢

（一）污泥的處理和處置囊括“固廢”課程的多個知識點

污泥的處理包含污泥濃縮、污泥調理、污泥脫水、污泥消化、污泥干化及污泥熱解等，同時污泥處置主要包括污泥堆置、衛生填埋等，以上內容已涉及固廢的特性分析、預處理、物化處理、生物處理、填埋處置等“固廢”課程主要章節內容。污泥的處理與處置明顯由多個環節組成，而每個環節又可與實驗方法的選擇或實驗平臺的搭建一一對應。以各學校最常開設的“污泥的真空脫水過濾實驗”為例，雖實驗裝置簡單，所需購置的耗材數量也較少，但通過該實驗的設置使學生系統地掌握污泥特性分析、污泥調理及脫水過程操作及基本原理。

（二）污泥研究科研平臺與教學實驗平臺無縫對接，節約裝置購置及人員配置成本

部分學校存在本科實驗教學平臺嚴重欠缺的問題，造成實驗教學工作的正常開展存在一定阻礙。而目前在高校較為豐富的污泥處理科研裝置及研究人員的配置，為其延伸為本科教學實驗平臺提供了良好的硬件及人才條件。可通過學院的統籌安排，協調好科研平臺及本科教學之間的時間及空間安排，進而實現污泥處理相關科研平臺直接用于本科教學實驗。

（三）有助于基于污泥處理的創新實驗設置及安排

在《工程教育認證標準》中明確提出，“學校能夠提供達成畢業要求所必需的基礎設施，包括為學生的實踐活動、創新活動提供有效支持”。同時也要求“培養學生的實踐能力和創新能力”，很明顯，教育部門在加大對創新人才的培養力度，而基于科研平臺的本科實驗教學而明顯更有利于創新人才的培養。以前期文獻閱讀準備、實驗方案設計、實驗方案討論、預實驗論證、系統開展實驗、結果討論與分析等環節均可融入學生的創新思維。

二、基于污泥處理科研的本科教學實驗設計思路

（一）加大文獻閱讀準備及前期團隊研討

目前，高校本科實驗教學所參考的資料仍局限于教科書和教師所提供的實驗指導書，在一定程度上形成了對學生創新思維的局限，不利于創新人才的培養。近幾年，關于“污泥處理”最新進展及相關成果多發表在《Water Research》《Bioresource Technology》《Chemical Engineering Journal》等高水平期刊上，可在此期刊中下載到關于污泥脫水、消化及微生物處理的最新技術及相關裝置。同時，加大文獻的搜集及閱讀量，也有助于提升學生問題分析的能力，通過文獻閱讀來研究和分析復雜工程問題。同時，在前期現場教學基礎上，也明顯發現以團隊形式進行文獻的搜集及閱讀有助于形成“頭腦風暴”式的研討氛圍，激發出與“污泥處理”相關的新想法及創新思路。

（二）強化實驗設計，增強實驗組間的相互“質疑”

本科生目前實驗方案設計能力明顯欠缺，其更多是依托教師所發放的實驗指導書，按照實驗指導書中已寫明的實驗步驟進行操作，明確缺乏對“為什么這樣設計實驗？”“實驗步驟操作依據是什么？”等基本問題的思考，缺少問題分析的過程。而《工程教育認證標準》中明確要求，“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論”。因此，亟需讓學生參與到實驗方案的設計過程中，從而能更好地進行污泥處理方法的選擇和論證過程。

在污泥處理方法初步選擇的基礎上，也明顯需要對初步選擇的污泥處理方法進行論證，以確定每個實驗小組最終選擇的實驗設計方案。因此，需加強各研討小組之間對方案的相互“質疑”，對其設計方案中污泥處理方法及其細則進行詳細論證。

（三）加強實驗結果討論，并增加與文獻中方法及結果的對比討論

實驗結果的研討是整個實驗過程的關鍵和升華，目前高校本科教學實驗中對實驗結果的討論較為單一。在學生獲得實驗結果（如污泥的含水率數據）后，只進行初步實驗數據曲線的繪制，如不同pH條件對污泥脫水率的影響曲線。未進行系統分析，即應進一步分析“pH條件對污泥脫水率存在何種影響規律，原因是什么？”。只有進行系統分析，才能更好地理解和分析污泥在脫水處理過程中的水分變化規律和基本原理。

同時，應結合前期對高水平期刊論文的閱讀情況，分析污泥脫水過程的變化機制，也需將自己組的實驗結果與文獻中的結果進行對比、分析，揭示其實驗過程的基本原理。

三、結束語

結合污泥處理科研平臺或課題進行本科教學實驗具有較強的可行性和現實意義，能有效實現科研平臺和研究人員與本科教學實驗的無縫對接。實驗教學團隊可在加大文獻閱讀、強化實驗設計和加強實驗結果討論等方面進行實驗教學方案的運行。