固體廢物處理與資源化實驗課程建設與實踐

＊王慶宏 李敏 王鑫 陳春茂

（中國石油大學（北京）化學工程與環境學院 北京 102249）

“固體廢物處理與資源化”是環境工程專業的三大核心課程之一，設置對應的實驗和實踐環節對于提高學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重要[1]。符合工程教育認證標準體系中提出的培養學生解決復雜環境工程問題能力的要求[2]。

結合我校環境工程的專業特色，以及培養能夠在環保企業特別是石油石化環保領域從事技術開發、工程設計、運營管理等的優秀專門人才和創新人才的目標定位，設置“固體廢物處理與資源化實驗”課程既應滿足對學生基本實驗操作技能的訓練，提高學生分析和解決固體廢物處理及資源化問題的能力，更應結合我校石油石化環保領域特色優勢，開展石油固廢處理相關的專業實驗內容，為提高畢業生的就業競爭力，從事相關工作打下堅實基礎。

1.課程設置的項標和定位

(1)課程設置定位

“固體廢物處理與資源化實驗”的課程定位是使學生掌握固體廢物性質的分析方法，通過實驗操作、數據處理和結果分析，培養學生良好的實驗素養和科研精神，提高學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)課程教學目標

通過實驗使學生掌握固體廢物熱化學相關性質、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，使學生明確固體廢物污染指標分析的前處理方法。目標一是通過實驗操作、數據分析和報告撰寫，加強基本理論和技能的綜合運用，學生能獨立查閱標準測試方法，并能夠利用各種實驗手段分析和解決問題。目標二是通過團隊分工與合作，完成各種復雜實驗操作，培養學生團隊協作的能力。

2.實驗內容設計

課程共設置4個實驗，分別為固廢性質分析、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”內容設計

(1)固廢性質分析

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

該實驗主要讓學生掌握固體廢物pH和堿度分析的預處理方法，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，能夠準確根據指示劑在特定pH條件下的顏色變化來判斷滴定終點，并能夠根據藥劑消化量準確計算堿度大小。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，需要學生掌握各指標的計算單位，能夠對獲取的實驗數據進行有效換算。此外，理論課中講授的固體廢物熱化學相關性質比較抽象，不利于學生理解。學生往往很難區分揮發分、可燃分和固定炭之間的關系。經過動手實操后，可以直觀地看到實驗現象，并首次使用了馬弗爐高溫加熱設備，觀察到不同組分高溫熱處理后的變化規律。既能鞏固理論課的重要知識點又學習了熱化學性質的分析方法。

(2)污泥比阻測定

污泥是污水處理過程產生的最主要固體廢物，含有微生物死亡細胞、代謝產物等，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。污泥比阻是評價污泥脫水性能的重要指標，掌握其測試原理和方法對調節污泥脫水工藝參數至關重要。該指標的測試是基于經驗公式推導和實驗數據的擬合計算所得，需要學生明確實驗設置的基本原理，理解公式內涵，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性。并能夠建立濾液體積與過濾時間之間的函數關系，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，可以發現不同污泥脫水的難易程度存在顯著差異，要求學生結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象的能力以及利用實驗手段解決復雜工程問題的能力。

此外，該實驗測試指標較多，需要多人協作共同完成實驗操作。在學生實驗操作分工、實驗數據整理、結果分析和報告撰寫過程中提高了團隊協作能力。

(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處理工藝選擇、藥劑篩選、工藝參數優化、處理性能評價等至關重要。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處理后，才能進行后續儀器分析。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。結合質譜定性和外標法定量可以測定石油烴C10-C40中各組分的含量。本實驗內容要求學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——氣相色譜質譜的工作原理和測定方法。

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

實驗的設置一方面結合我校環境工程專業特色，使學生掌握石油污染相關指標分析測試方法，另一方面使學生接觸大型分析儀器，初步了解科學研究手段，提高科研興趣，為今后攻讀研究生奠定基礎。

(4)污泥厭氧消化實驗

厭氧消化是生物質固體廢物資源化的重要途徑之一，也是污水廠污泥穩定化和資源化的主要手段。學生在固廢理論課中雖然學習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習，對水解酸化、產氫產酸和產甲烷的三階段理論內涵理解不深刻。該實驗在厭氧條件下連續運行25天，通過階段性取樣分析，測試pH、溶解性有機物和揮發性脂肪酸的含量，并利用集氣袋收集產生的氣體，測試氣體中氫氣、二氧化碳和甲烷的含量變化，通過觀察各指標的變化規律，使學生理解厭氧消化的三階段理論和污泥穩定化和資源化的基本原理。此外，由于厭氧微生物尤其是產甲烷菌對環境條件的要求十分嚴格，實驗過程需要控制溫度、pH等各項指標，避免實驗失敗收集不到沼氣。因此，需要學生根據指標的監測數據，及時調節反應器的工藝參數，保證其穩定運行。這一過程提高了學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，學生可以進一步學習兩種色譜類大型分析儀器的原理和使用方法。

3.教學方法

根據學分設置要求，實驗內容作為理論課程的補充不宜占用過多課表學時，在實驗設置上應難易程度適中。因此，上述四個實驗內容中固廢性質分析和污泥比阻實驗為必做實驗，要求學生完成全部實驗操作、獲取數據并完成報告；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、數據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，在此基礎上給學生部分固廢樣品的石油烴測試結果，要求學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、測試指標較多為選做實驗，學生可以在課下完成實驗內容，指導教師全程指導，拓展實驗動手能力和科研興趣。

為適應新工科專業建設要求，培養綜合創新人才，在教學方法上應提高學生獨立思考、獨立判斷、發現和解決問題的能力[5]。對實驗前的準備和預習不要求學生摘抄講義內容，而是以回答思考題的形式提交預習報告。實驗過程分組既要保證團隊協作又要避免人數過多練習不充分，每組設置3個人完成實驗內容。提交的實驗報告要求學生除分析實驗數據、總結實驗結果外，還要提出自己的思考和對課程內容的建議。

課程采用“過程性評價”和“期末考試”相結合的考核方式。課程成績由實驗操作成績（35%）、實驗報告成績（35%）和結課考試成績（30%）構成，詳見表1。其中實驗操作主要考查學生的操作規范、實驗步驟、時間安排、團隊協作等；實驗報告考查學生處理實驗數據、分析總結、文字撰寫以及理論知識解決復雜環境問題的能力；期末考試考查學生對基本理論和實驗內容的理解和掌握程度。通過課前預習、課上練習、課后復習、考試答題的形式強化學生掌握教學內容，提高動手操作、團隊協作和科研創新的能力。

表1 課程考核內容及方式

4.建設計劃

(1)進一步完善教學內容

緊跟美麗中國建設進展，增加固廢資源化方面的實驗內容；緊跟學科前沿和石油行業環保需求，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聯，提高課程內容的創新性。

(2)繼續豐富教學資源

受限于實驗場地、設備臺套數、藥品試劑等條件限制，部分實驗難以實現實操訓練，通過錄制教學視頻、線上線下結合等方式，可以進一步拓寬實驗內容，擺脫實驗條件限制，豐富學生的學習資源，使學生接觸了解更多先進大型儀器，拓展知識維度。

(3)不斷優化教學方法

進一步合理安排實驗內容，使教學環節更加緊湊，在等待實驗結果過程中安排演示實驗，使教學環節更加緊湊；提高學生學習的主觀能動性，增加預習報告和實驗報告中思考題的比重，讓學生思考實驗現象背后的科學問題，提高課程挑戰性；在設置更多實驗內容的基礎上可以讓學生進行自我選擇，結合后續發展方向，挑選更感興趣的實驗完成課程學分要求，提高課程的靈活度。

5.結語

隨著經濟社會的快速發展，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要求和我校環境工程專業特色，開設“固體廢物處理與資源化實驗”課程對提高學生綜合能力和就業競爭力起到重要作用。今后應進一步擴展實驗內容，改進教學方法，提高學生的積極性和主觀能動性，為培養石油環保領域高水平綜合人才奠定基礎。