“雙碳”戰略背景下環境工程原理課程教學改革的思考

2023-03-08 12:41:52王琳玲董春橋

高教學刊 2023年6期

梁莎，王琳玲，黃亮，董春橋

（華中科技大學環境科學與工程學院，武漢 430074）

2020年9 月我國明確提出2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”目標。實施“碳達峰”“碳中和”（簡稱“雙碳”）是實現全球氣候可持續發展的迫切需要，是推動高質量發展的內在要求，是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革[1-2]。為深入貫徹黨中央、國務院關于“雙碳”的重大戰略部署，教育部先后發布了《高等學校“碳中和”科技創新行動計劃》《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》。高校應當充分發揮基礎研究主力軍和自主人才培養主陣地作用，為“雙碳”戰略提供科技支撐和人才保障，以實際行動服務“雙碳”戰略實施，為實現“雙碳”目標做出積極貢獻。在此背景下，與碳中和相關的專業如能源動力類、電氣類、交通運輸類、建筑類專業，特別是環境類專業應當重點加快人才培養轉型升級，推動現有人才培養體系改革創新，努力培養適應新時代“雙碳”戰略實施的新型復合型人才。

一 “雙碳”戰略對環境工程學科發展及人才培養的挑戰

環境工程學是環境學科的一個重要分支，主要任務是運用環境學科及工程技術和有關學科的原理和方法，保護和合理利用自然資源，防治環境污染，以改善生態環境質量，保障人類生存環境，以及社會的可持續發展。環境工程的主要內容包括大氣污染防治、水污染防治、固體廢棄物處理處置和資源化、環境污染綜合治理與生態修復、生態環境系統工程與風險控制等。經過幾十年的發展，環境工程學科已形成了較為完備的污染控制理論技術和管理政策體系，在打贏污染防治攻堅戰，穩步推進“無廢城市”建設中發揮了巨大的支撐作用，已成為促進生態環境保護、低碳社會建設、經濟可持續發展的至關重要的戰略性關鍵學科。“十四五”時期，我國生態文明建設進入了以降碳為重點戰略方向，推動減污降碳協同增效，促進經濟社會發展全面綠色轉型，實現生態環境質量改善由量變到質變的關鍵時期。環境工程學科的內涵深度與外延廣度已得到不斷突破和延伸，在單一的環境保護與污染治理的基礎上，逐漸發展為多學科、多領域融通共進，協同創新的局面。通過與納米生物學、計算材料學、合成有機化學、管理學、地理和城鄉規劃學、數學和信息科學等學科的交叉融合，環境工程學科在基礎理論與前沿技術上取得了長足的發展，在污染控制對象、環境治理過程、環境治理手段、學科研究方法和學科研究模式上都發生了顯著的變化（圖1）[3]。因此，在“雙碳”戰略背景下，環境工程學科應當針對全面推動減污降碳協同增效的目標，圍繞“碳中和”的基本內涵、實現路徑和主要路線等方面開展系統深入研究，在推動綠色低碳發展和氣候變化等全球性問題的解決過程中提供重要科學助力。

圖1 環境工程學科發展趨勢

隨著我國不斷深化高等工程教育改革，持續推進新工科建設與實踐，改革完善新工科人才培養體系，各高校圍繞工程教育創新開展了富有成效的多樣化探索，在培養高層次創新型、復合型、應用型人才方面實現了跨越式發展。當前我國生態文明建設的內涵發生持續變革，環境污染治理從單純減污向全周期降碳轉變，如何培養能夠服務新時代生態環境建設與社會發展和企業生產急需的能夠解決復雜環境問題的拔尖創新人才是當前環境工程學科人才培養的熱點話題[4]。各高校應當發揮自身特色優勢，找準突破口和發力點，推動現有人才培養體系改革創新，全面加強“雙碳”人才培養。①需要從專業培養方案、課程體系等方面做到更新換代，以減污降碳協同增效和生態保護綠色循環為導向，體現環境工程與其他相關學科的交叉融合，如加強互聯網、大數據、人工智能和智慧物聯網等信息技術與專業的結合，支撐智慧環境人才培養；②教學過程中在傳授基礎理論知識的基礎上，注重升級知識體系，拓展知識維度，關注碳減排創新技術，傳播綠色低碳理念，強化青年學生綠色低碳意識；③圍繞“雙碳”戰略探索加強創新創業實踐教育，以“節能減排固碳”“產業升級”等要求作為工程教育水平提升的導向，構建多維度產學研創環境類新工科模式，全面提升學生的創新創業技能，助力環境學子在碳中和浪潮中發揮作用[5]。

二 “雙碳”戰略背景下環境工程原理課程教學改革思考

（一）環境工程原理課程的特點

環境工程原理是環境工程專業的核心基礎課，課程的主要任務是系統、深入地闡述環境污染控制工程及其他污染控制工程中涉及的具有共性的工程學基礎、基本過程和現象，以及污染控制裝置的基本原理，為后期專業課學習打下基礎。華中科技大學環境科學與工程學院的環境工程原理課程面向環境工程專業大三學生，共64 學時，其中理論教學54 學時，實驗10 學時。課程目標包括：①使學生掌握動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應動力學（“三傳一反”）等環境工程專業基本知識與基礎理論；②使學生能夠利用所學知識正確理解和分析沉淀、過濾、吸收、吸附、萃取及干燥等環境凈化與污染控制過程，以及其相關典型設備的結構和性能；③使學生能夠利用所學的化學、生物反應器的基本技術原理獨立完成環境凈化或污染控制單元的反應器設計和實驗研究設計。對應工程教育專業認證的畢業要求中的1.4“掌握解決環境工程問題的環境工程專業知識”；2.1“能夠應用基本原理識別和表達復雜環境工程問題”；4.1“能夠針對環境問題，利用科學原理設計實驗”，培養學生綜合運用所學知識，解決復雜實際環境問題的能力（圖2）。

圖2 環境工程原理課程目標及其對畢業要求的支撐關系

然而，環境工程原理課程內容涉及知識面較廣，基本原理和公式推導繁多，這些特點本身對課程教學體系和模式提出了較高的要求，而“雙碳”戰略背景更是給課程教學帶來了更大的挑戰。目前的課程設置并沒有重視體現環境污染治理與“雙碳”目標達成的內在聯系，即學生無法深刻地認識到怎樣的環境治理技術或政策才能助力實現“雙碳”目標的達成[6]。因此需要在教學過程中積極引導學生從本質上認識和理解不同的環境凈化與污染控制方法對“雙碳”目標的貢獻，使學生在掌握學科堅實的基礎理論知識、科學研究方法和實驗實踐技能的基礎上，能夠結合生態文明理念和“雙碳”戰略思想解決實際復雜環境工程問題。

（二）對環境工程原理課程改革措施的思考

1 充分進行案例分析，理解“雙碳”目標的意義

課程教學團隊針對“雙碳”戰略對環境類專業新工科建設的要求，廣泛收集最新的國內外研究進展及工程技術創新案例，在拓寬學生的知識面的同時，解釋如何實現“雙碳”目標。例如在講述傳熱的基本原理時，可拓展介紹在相對較低的溫度下進行隔熱同時在反應系統過熱時散熱的智能傳熱材料，以及離子風散熱、超聲波傳熱和納米流體傳熱等新型強化傳熱技術的發展對節能減排、實現“雙碳”目標的意義。

例如在講述沉降的基本概念和原理時，可以拓展講解污水處理廠用于污染物去除的化學藥劑投加產生的碳排放。隨著污水處理廠污染物排放標準日趨嚴格，污水處理廠為了達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級排放標準進行工藝升級改造，高標準處理必將導致曝氣強度提高、藥耗增加等，污水處理系統的碳排放隨之增加。在初沉池、二沉池和高效澄清池等加藥沉降環節通過化學藥劑的精準投加，或者選擇更清潔環保的替代藥劑可以達到碳減排的目的。

例如在講述吸附章節的吸附劑的特性時，結合固體處理與資源化利用，介紹廢棄生物質、市政污泥、廢塑料和工業固廢等資源化利用制備高效吸附劑，替代傳統以煤等原料制備的活性炭吸附劑的降碳效果。同時，研究新型高效二氧化碳吸附劑對控制碳排放具有重要意義。在吸附的污染物對象方面，結合湖北所處長江經濟帶的總磷污染問題，闡述磷污染來源及綠色高效污染控制技術，服務于“長江大保護”的重大戰略。此外，污染物對象可拓展介紹新興污染物如微塑料、含氟化合物、內分泌干擾物和飲用水消毒副產物等對環境的潛在風險及污染控制方案。

例如在講述膜分離技術時，結合講述膜法污水處理過程中存在碳減排效果，即通過膜法污水處理技術實現能源/資源的回收利用，代替化學品或化石能源進而補償和削減溫室氣體排放應用。隨著技術不斷迭代，膜法污水處理技術能耗不斷下降。市政污水中膜生物反應器（MBR）能耗一般在0.3～0.9 kW·h/m3，在大型MBR 處理工程（處理量大于5 萬m3/d）中能耗為0.3～0.5 kW·h/m3，接近傳統生物處理能耗[7]。在“雙碳”戰略背景下，今后需要系統評估膜法污水系統的碳排放與減污降碳潛力，開發高通量、低污染超濾膜、納濾膜、反滲透膜材料，優化膜組件結構和膜分離運行方式，提高膜系統的運行穩定性和抗污染能力，降低運行能耗；開發新型膜過程（正滲透、膜蒸餾、膜吸收、膜萃取、膜脫氣）及膜組合工藝，開發廢棄膜材料再生技術，推進膜技術與其他資源化能源化技術耦合，實現低碳可持續水處理與資源能源回收技術。

例如在講解干燥章節的質量與能量平衡計算時，以不同含水率污泥干化所需消耗為例，講解污泥脫水對后續處理處置的重要影響。將含水率80%的污泥干化為含水率30%用于后續焚燒，所需干化能耗為9 266 kJ/kg干污泥，而如果將80%的污泥先通過深度脫水至含水率60%，則干化至30%所需能耗僅為2 780 kJ/kg 干污泥，能耗大大降低。通過提升干化脫水設備的智能化水平，開發相應的環境友好型脫水藥劑及高效脫水技術是實現污泥處理處置系統節能降耗目標的可行性舉措。

2 通過課程設計，融合“雙碳”目標實現途徑

要求學生利用課外時間完成課程設計，進一步理解和掌握環境工程原理的基本定律、基本計算方法和基本設備的結構、工藝計算，并簡單繪制工藝流程圖，課程設計的成績占課程綜合成績的10%。課程設計題目包括“污泥厭氧消化罐的保溫設計”“填料吸收塔處理污水處理廠臭氣設計”“污泥干化工藝設計”“生物膜法處理生物污泥工藝設計”，涵蓋了課程內容的三大部分。學生需要分小組合作，提出設計方案，進行工藝比選，完成工藝計算和驗證，進行初步投資和運行費用計算，并綜合分析工藝的能源、資源節約和綜合利用情況，提出減污降碳措施。課程設計完成后，學生需要分小組進行匯報，由不同小組之間進行提問互評，在質詢討論過程中加強了學生對實際工程問題的思考能力。

以污泥干化工藝設計為例，學生首先要掌握污泥干化過程涉及的干燥章節的基本原理，理解污泥干化-焚燒-灰渣填埋或建材化利用的污泥處理技術路線的優勢，選擇合適的干化工藝和設備，確定污泥干化工藝流程，進行主體設備的工藝計算。工藝流程中需考慮污泥干化過程中產生的臭氣、煙塵及尾水排放問題，最大限度減少對環境的二次污染，因此需要結合課程中關于吸收、過濾等章節的知識；在能源利用方面，需要對干化過程所需能耗進行計算，計算相應的二氧化碳排放量，提出可能的降碳措施，如將污泥干化尾氣的余熱用于熱交換介質空氣的預熱，從而提高干燥過程的熱利用效率。通過課程設計，可加深學生對于典型環境工程應用場景工藝流程的宏觀認識，并思考不同工藝流程中碳排放途徑和改進措施。

3 以虛擬仿真為手段，提高學生對減污降碳的認識

在新工科教育理念的引領下，學校環境專業積極開展基于“互聯網+”的課程建設改革與創新。環境工程原理課程共10 個實驗學時，包含離心水泵性能曲線測定、換熱器傳熱系統測定和SO2吸收測試3 個實驗，每個實驗均包含操作實驗和配套虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗平臺具有數據分析和統計功能，能夠對教學過程的全部數據進行評估、評價，同時，實驗平臺設置了課程評價模塊，實現了教學過程質量監控與評價，并可依據各類教學數據分析結果，實施持續改進[8]。

以SO2吸收測試實驗為例，吸收是環境工程領域的基本操作過程之一，常用來凈化氣態污染物。但是由于SO2氣體具有腐蝕性和刺激性，開設實體操作實驗，容易由于管道氣路閥門老化發生氣體泄露而造成危險，因此這部分教學內容多以理論授課為主，學生難以掌握實際污染氣體吸收操作的關鍵理論和技術問題。采用虛擬仿真手段模擬填料吸收塔對于SO2的吸收實驗，可以讓學生清晰了解吸收過程以及填料吸收塔的基本結構，不同吸收劑的選取，凈化效率影響因素，計算填料塔所需動力消耗和確定填料塔的適宜制作范圍，選擇合適的氣液負荷。學生依據“實驗指南”進行吸收過程實際操作，具體包括調節填料塔的空氣流量、堿液流量、SO2濃度的自主調節，完成填料塔壓降與空氣速度關系的影響實驗。在實驗中，學生需要學習和理解有無吸收液條件下填料塔壓降與空氣速度之間的關系，以及吸收液的流量對填料塔壓降的影響，提高對實際生產應用過程中填料塔的流體力學性能的認識，從而提高學生在設計污染物氣體吸收去除的工藝方面解決復雜工程問題的能力。同時，虛擬仿真實驗可緊密結合國家環境保護新出臺及更新的大氣污染物排放標準、法律法規和技術規范不斷進行升級改造，在實驗體系中的提高氣體治理效率方面及時更新工藝庫和指標要求，滿足新時代下更嚴格的環保需求。

三結束語