固體廢物處理與資源化實驗課程建設(shè)與實踐

＊王慶宏 李敏 王鑫 陳春茂

（中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院 北京 102249）

“固體廢物處理與資源化”是環(huán)境工程專業(yè)的三大核心課程之一，設(shè)置對應(yīng)的實驗和實踐環(huán)節(jié)對于提高學(xué)生實驗動手能力和利用固廢理論知識解決實際問題的能力至關(guān)重要[1]。符合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)體系中提出的培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜環(huán)境工程問題能力的要求[2]。

結(jié)合我校環(huán)境工程的專業(yè)特色，以及培養(yǎng)能夠在環(huán)保企業(yè)特別是石油石化環(huán)保領(lǐng)域從事技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計、運營管理等的優(yōu)秀專門人才和創(chuàng)新人才的目標(biāo)定位，設(shè)置“固體廢物處理與資源化實驗”課程既應(yīng)滿足對學(xué)生基本實驗操作技能的訓(xùn)練，提高學(xué)生分析和解決固體廢物處理及資源化問題的能力，更應(yīng)結(jié)合我校石油石化環(huán)保領(lǐng)域特色優(yōu)勢，開展石油固廢處理相關(guān)的專業(yè)實驗內(nèi)容，為提高畢業(yè)生的就業(yè)競爭力，從事相關(guān)工作打下堅實基礎(chǔ)。

1.課程設(shè)置的項標(biāo)和定位

(1)課程設(shè)置定位

“固體廢物處理與資源化實驗”的課程定位是使學(xué)生掌握固體廢物性質(zhì)的分析方法，通過實驗操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗素養(yǎng)和科研精神，提高學(xué)生利用實驗手段解決固體廢物處理和資源化工程問題的能力[3-4]。

(2)課程教學(xué)目標(biāo)

通過實驗使學(xué)生掌握固體廢物熱化學(xué)相關(guān)性質(zhì)、污泥比阻測定和含油污泥石油烴組成分析儀器的使用方法和測試方法，使學(xué)生明確固體廢物污染指標(biāo)分析的前處理方法。目標(biāo)一是通過實驗操作、數(shù)據(jù)分析和報告撰寫，加強基本理論和技能的綜合運用，學(xué)生能獨立查閱標(biāo)準(zhǔn)測試方法，并能夠利用各種實驗手段分析和解決問題。目標(biāo)二是通過團隊分工與合作，完成各種復(fù)雜實驗操作，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作的能力。

2.實驗內(nèi)容設(shè)計

課程共設(shè)置4個實驗，分別為固廢性質(zhì)分析、污泥比阻測定、含油固廢中的石油烴定性定量分析和污泥厭氧消化，見圖1。其中固廢性質(zhì)分析和污泥比阻測定是必做實驗；含油固廢中的石油烴定性定量分析是演示實驗；污泥厭氧消化是選做實驗。

圖1 “固體廢物處理與資源化實驗”內(nèi)容設(shè)計

(1)固廢性質(zhì)分析

固體廢物的基本性質(zhì)如含水率、pH、堿度、灰分、可燃分等的分析測試方法在環(huán)境監(jiān)測課程中并未涉及，固相檢測方法與水相檢測方法完全不同。掌握上述指標(biāo)的實驗方法，對分析固體廢物的基本性質(zhì)至關(guān)重要，是從事固廢處理、處置以及固廢管理等工作的基礎(chǔ)。因此通過設(shè)置相關(guān)實驗，使學(xué)生掌握固廢性質(zhì)的測試方法，同時鞏固熱化學(xué)基本性質(zhì)的理論知識，并利用相關(guān)理論對測試數(shù)據(jù)進行分析計算。

該實驗主要讓學(xué)生掌握固體廢物pH和堿度分析的預(yù)處理方法，通過特定比例的蒸餾水浸提，可以將固相樣品的測試轉(zhuǎn)移至液相，提高多角度分析解決問題的能力。同時，進一步理解堿度的含義，掌握滴定法的操作步驟和原理，能夠準(zhǔn)確根據(jù)指示劑在特定pH條件下的顏色變化來判斷滴定終點，并能夠根據(jù)藥劑消化量準(zhǔn)確計算堿度大小。此部分計算過程還需要考慮液相堿度和固體中堿度的差異，需要學(xué)生掌握各指標(biāo)的計算單位，能夠?qū)Λ@取的實驗數(shù)據(jù)進行有效換算。此外，理論課中講授的固體廢物熱化學(xué)相關(guān)性質(zhì)比較抽象，不利于學(xué)生理解。學(xué)生往往很難區(qū)分揮發(fā)分、可燃分和固定炭之間的關(guān)系。經(jīng)過動手實操后，可以直觀地看到實驗現(xiàn)象，并首次使用了馬弗爐高溫加熱設(shè)備，觀察到不同組分高溫?zé)崽幚砗蟮淖兓?guī)律。既能鞏固理論課的重要知識點又學(xué)習(xí)了熱化學(xué)性質(zhì)的分析方法。

(2)污泥比阻測定

污泥是污水處理過程產(chǎn)生的最主要固體廢物，含有微生物死亡細(xì)胞、代謝產(chǎn)物等，是城市固體廢物中的典型代表，目前主要通過填埋或焚燒的方式處理。無論哪種處理方式都要求污泥含水率小于特定限值。因此，污泥脫水是污泥處理處置流程中的重要一環(huán)。污泥比阻是評價污泥脫水性能的重要指標(biāo)，掌握其測試原理和方法對調(diào)節(jié)污泥脫水工藝參數(shù)至關(guān)重要。該指標(biāo)的測試是基于經(jīng)驗公式推導(dǎo)和實驗數(shù)據(jù)的擬合計算所得，需要學(xué)生明確實驗設(shè)置的基本原理，理解公式內(nèi)涵，明確影響脫水性能的主要因素，掌握機械脫水過程的過濾時間、過濾面積、真空度、濾液黏度和濾液體積、濾餅重量與比阻之間的相關(guān)性。并能夠建立濾液體積與過濾時間之間的函數(shù)關(guān)系，進而計算出污泥比阻。在實驗過程中通過對不同來源的污泥（浮渣池污泥、二沉池污泥和含油污泥等）進行比阻測定，可以發(fā)現(xiàn)不同污泥脫水的難易程度存在顯著差異，要求學(xué)生結(jié)合理論知識闡釋污泥比阻差異的原因，提高綜合運用理論知識闡釋實驗現(xiàn)象的能力以及利用實驗手段解決復(fù)雜工程問題的能力。

此外，該實驗測試指標(biāo)較多，需要多人協(xié)作共同完成實驗操作。在學(xué)生實驗操作分工、實驗數(shù)據(jù)整理、結(jié)果分析和報告撰寫過程中提高了團隊協(xié)作能力。

(3)含油固廢中的石油烴定性定量分析

在石油的開采、加工、運輸和煉制過程中，會產(chǎn)生大量含油固體廢物如含油鉆屑、罐底油泥等，分析含油固廢的石油烴含量和組成對后續(xù)處理工藝選擇、藥劑篩選、工藝參數(shù)優(yōu)化、處理性能評價等至關(guān)重要。石油烴是能夠被正己烷或正己烷-丙酮提取且不被硅酸鎂吸附的C10-C40部分。因此，檢測石油烴需要對固體樣品進行萃取預(yù)處理后，才能進行后續(xù)儀器分析。目前石油烴的分析測試方法主要為重量法、色譜法和光譜法，最常用的是氣相色譜法。結(jié)合質(zhì)譜定性和外標(biāo)法定量可以測定石油烴C10-C40中各組分的含量。本實驗內(nèi)容要求學(xué)生掌握樣品前處理的必要性和處理方法，了解大型分析儀器——氣相色譜質(zhì)譜的工作原理和測定方法。

該實驗涉及的理論和操作內(nèi)容較多，理論部分包括萃取原理、質(zhì)譜和色譜分析原理；實驗操作包括萃取、濃縮、凈化、定容預(yù)處理以及氣相色譜-質(zhì)譜上機分析測試。學(xué)生需要掌握儀器的工作條件、標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備方法、進樣量和方式、儀器操作步驟等，并根據(jù)石油烴標(biāo)準(zhǔn)樣品保留時間和對應(yīng)的質(zhì)譜峰對目標(biāo)化合物定性分析，同時根據(jù)不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的峰面積繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對石油烴組分進行定量分析。

實驗的設(shè)置一方面結(jié)合我校環(huán)境工程專業(yè)特色，使學(xué)生掌握石油污染相關(guān)指標(biāo)分析測試方法，另一方面使學(xué)生接觸大型分析儀器，初步了解科學(xué)研究手段，提高科研興趣，為今后攻讀研究生奠定基礎(chǔ)。

(4)污泥厭氧消化實驗

厭氧消化是生物質(zhì)固體廢物資源化的重要途徑之一，也是污水廠污泥穩(wěn)定化和資源化的主要手段。學(xué)生在固廢理論課中雖然學(xué)習(xí)了微生物厭氧降解的原理和工藝過程，但多通過死記硬背的方式進行學(xué)習(xí)，對水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的三階段理論內(nèi)涵理解不深刻。該實驗在厭氧條件下連續(xù)運行25天，通過階段性取樣分析，測試pH、溶解性有機物和揮發(fā)性脂肪酸的含量，并利用集氣袋收集產(chǎn)生的氣體，測試氣體中氫氣、二氧化碳和甲烷的含量變化，通過觀察各指標(biāo)的變化規(guī)律，使學(xué)生理解厭氧消化的三階段理論和污泥穩(wěn)定化和資源化的基本原理。此外，由于厭氧微生物尤其是產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境條件的要求十分嚴(yán)格，實驗過程需要控制溫度、pH等各項指標(biāo)，避免實驗失敗收集不到沼氣。因此，需要學(xué)生根據(jù)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)節(jié)反應(yīng)器的工藝參數(shù)，保證其穩(wěn)定運行。這一過程提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，同時也強化了對厭氧消化工藝條件的掌握。

該實驗中涉及到的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）組分和沼氣成分的測定需要使用離子色譜和氣相色譜，學(xué)生可以進一步學(xué)習(xí)兩種色譜類大型分析儀器的原理和使用方法。

3.教學(xué)方法

根據(jù)學(xué)分設(shè)置要求，實驗內(nèi)容作為理論課程的補充不宜占用過多課表學(xué)時，在實驗設(shè)置上應(yīng)難易程度適中。因此，上述四個實驗內(nèi)容中固廢性質(zhì)分析和污泥比阻實驗為必做實驗，要求學(xué)生完成全部實驗操作、獲取數(shù)據(jù)并完成報告；含油固廢中的石油烴定性定量分析為演示實驗，教師課前錄制樣品前處理、上機分析、數(shù)據(jù)處理等全過程的視頻，課堂上播放視頻并講授石油烴定性分析的實驗原理和操作要點，在此基礎(chǔ)上給學(xué)生部分固廢樣品的石油烴測試結(jié)果，要求學(xué)生自己完成定量分析，并提交實驗報告；污泥厭氧消化實驗周期較長、測試指標(biāo)較多為選做實驗，學(xué)生可以在課下完成實驗內(nèi)容，指導(dǎo)教師全程指導(dǎo)，拓展實驗動手能力和科研興趣。

為適應(yīng)新工科專業(yè)建設(shè)要求，培養(yǎng)綜合創(chuàng)新人才，在教學(xué)方法上應(yīng)提高學(xué)生獨立思考、獨立判斷、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力[5]。對實驗前的準(zhǔn)備和預(yù)習(xí)不要求學(xué)生摘抄講義內(nèi)容，而是以回答思考題的形式提交預(yù)習(xí)報告。實驗過程分組既要保證團隊協(xié)作又要避免人數(shù)過多練習(xí)不充分，每組設(shè)置3個人完成實驗內(nèi)容。提交的實驗報告要求學(xué)生除分析實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)實驗結(jié)果外，還要提出自己的思考和對課程內(nèi)容的建議。

課程采用“過程性評價”和“期末考試”相結(jié)合的考核方式。課程成績由實驗操作成績（35%）、實驗報告成績（35%）和結(jié)課考試成績（30%）構(gòu)成，詳見表1。其中實驗操作主要考查學(xué)生的操作規(guī)范、實驗步驟、時間安排、團隊協(xié)作等；實驗報告考查學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)、分析總結(jié)、文字撰寫以及理論知識解決復(fù)雜環(huán)境問題的能力；期末考試考查學(xué)生對基本理論和實驗內(nèi)容的理解和掌握程度。通過課前預(yù)習(xí)、課上練習(xí)、課后復(fù)習(xí)、考試答題的形式強化學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容，提高動手操作、團隊協(xié)作和科研創(chuàng)新的能力。

表1 課程考核內(nèi)容及方式

4.建設(shè)計劃

(1)進一步完善教學(xué)內(nèi)容

緊跟美麗中國建設(shè)進展，增加固廢資源化方面的實驗內(nèi)容；緊跟學(xué)科前沿和石油行業(yè)環(huán)保需求，增加含油固廢處理方面的工程實驗；加強實驗課與理論課的關(guān)聯(lián)，提高課程內(nèi)容的創(chuàng)新性。

(2)繼續(xù)豐富教學(xué)資源

受限于實驗場地、設(shè)備臺套數(shù)、藥品試劑等條件限制，部分實驗難以實現(xiàn)實操訓(xùn)練，通過錄制教學(xué)視頻、線上線下結(jié)合等方式，可以進一步拓寬實驗內(nèi)容，擺脫實驗條件限制，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，使學(xué)生接觸了解更多先進大型儀器，拓展知識維度。

(3)不斷優(yōu)化教學(xué)方法

進一步合理安排實驗內(nèi)容，使教學(xué)環(huán)節(jié)更加緊湊，在等待實驗結(jié)果過程中安排演示實驗，使教學(xué)環(huán)節(jié)更加緊湊；提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，增加預(yù)習(xí)報告和實驗報告中思考題的比重，讓學(xué)生思考實驗現(xiàn)象背后的科學(xué)問題，提高課程挑戰(zhàn)性；在設(shè)置更多實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上可以讓學(xué)生進行自我選擇，結(jié)合后續(xù)發(fā)展方向，挑選更感興趣的實驗完成課程學(xué)分要求，提高課程的靈活度。

5.結(jié)語

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對固體廢物處理和資源化專門人才的需求不斷增加。基于新工科人才培養(yǎng)要求和我校環(huán)境工程專業(yè)特色，開設(shè)“固體廢物處理與資源化實驗”課程對提高學(xué)生綜合能力和就業(yè)競爭力起到重要作用。今后應(yīng)進一步擴展實驗內(nèi)容，改進教學(xué)方法，提高學(xué)生的積極性和主觀能動性，為培養(yǎng)石油環(huán)保領(lǐng)域高水平綜合人才奠定基礎(chǔ)。