固体废物处理与资源化实验课程建设与实践

＊王庆宏 李敏 王鑫 陈春茂

（中国石油大学（北京）化学工程与环境学院 北京 102249）

“固体废物处理与资源化”是环境工程专业的三大核心课程之一，设置对应的实验和实践环节对于提高学生实验动手能力和利用固废理论知识解决实际问题的能力至关重要[1]。符合工程教育认证标准体系中提出的培养学生解决复杂环境工程问题能力的要求[2]。

结合我校环境工程的专业特色，以及培养能够在环保企业特别是石油石化环保领域从事技术开发、工程设计、运营管理等的优秀专门人才和创新人才的目标定位，设置“固体废物处理与资源化实验”课程既应满足对学生基本实验操作技能的训练，提高学生分析和解决固体废物处理及资源化问题的能力，更应结合我校石油石化环保领域特色优势，开展石油固废处理相关的专业实验内容，为提高毕业生的就业竞争力，从事相关工作打下坚实基础。

1.课程设置的项标和定位

(1)课程设置定位

“固体废物处理与资源化实验”的课程定位是使学生掌握固体废物性质的分析方法，通过实验操作、数据处理和结果分析，培养学生良好的实验素养和科研精神，提高学生利用实验手段解决固体废物处理和资源化工程问题的能力[3-4]。

(2)课程教学目标

通过实验使学生掌握固体废物热化学相关性质、污泥比阻测定和含油污泥石油烃组成分析仪器的使用方法和测试方法，使学生明确固体废物污染指标分析的前处理方法。目标一是通过实验操作、数据分析和报告撰写，加强基本理论和技能的综合运用，学生能独立查阅标准测试方法，并能够利用各种实验手段分析和解决问题。目标二是通过团队分工与合作，完成各种复杂实验操作，培养学生团队协作的能力。

2.实验内容设计

课程共设置4个实验，分别为固废性质分析、污泥比阻测定、含油固废中的石油烃定性定量分析和污泥厌氧消化，见图1。其中固废性质分析和污泥比阻测定是必做实验；含油固废中的石油烃定性定量分析是演示实验；污泥厌氧消化是选做实验。

图1 “固体废物处理与资源化实验”内容设计

(1)固废性质分析

固体废物的基本性质如含水率、pH、碱度、灰分、可燃分等的分析测试方法在环境监测课程中并未涉及，固相检测方法与水相检测方法完全不同。掌握上述指标的实验方法，对分析固体废物的基本性质至关重要，是从事固废处理、处置以及固废管理等工作的基础。因此通过设置相关实验，使学生掌握固废性质的测试方法，同时巩固热化学基本性质的理论知识，并利用相关理论对测试数据进行分析计算。

该实验主要让学生掌握固体废物pH和碱度分析的预处理方法，通过特定比例的蒸馏水浸提，可以将固相样品的测试转移至液相，提高多角度分析解决问题的能力。同时，进一步理解碱度的含义，掌握滴定法的操作步骤和原理，能够准确根据指示剂在特定pH条件下的颜色变化来判断滴定终点，并能够根据药剂消化量准确计算碱度大小。此部分计算过程还需要考虑液相碱度和固体中碱度的差异，需要学生掌握各指标的计算单位，能够对获取的实验数据进行有效换算。此外，理论课中讲授的固体废物热化学相关性质比较抽象，不利于学生理解。学生往往很难区分挥发分、可燃分和固定炭之间的关系。经过动手实操后，可以直观地看到实验现象，并首次使用了马弗炉高温加热设备，观察到不同组分高温热处理后的变化规律。既能巩固理论课的重要知识点又学习了热化学性质的分析方法。

(2)污泥比阻测定

污泥是污水处理过程产生的最主要固体废物，含有微生物死亡细胞、代谢产物等，是城市固体废物中的典型代表，目前主要通过填埋或焚烧的方式处理。无论哪种处理方式都要求污泥含水率小于特定限值。因此，污泥脱水是污泥处理处置流程中的重要一环。污泥比阻是评价污泥脱水性能的重要指标，掌握其测试原理和方法对调节污泥脱水工艺参数至关重要。该指标的测试是基于经验公式推导和实验数据的拟合计算所得，需要学生明确实验设置的基本原理，理解公式内涵，明确影响脱水性能的主要因素，掌握机械脱水过程的过滤时间、过滤面积、真空度、滤液黏度和滤液体积、滤饼重量与比阻之间的相关性。并能够建立滤液体积与过滤时间之间的函数关系，进而计算出污泥比阻。在实验过程中通过对不同来源的污泥（浮渣池污泥、二沉池污泥和含油污泥等）进行比阻测定，可以发现不同污泥脱水的难易程度存在显著差异，要求学生结合理论知识阐释污泥比阻差异的原因，提高综合运用理论知识阐释实验现象的能力以及利用实验手段解决复杂工程问题的能力。

此外，该实验测试指标较多，需要多人协作共同完成实验操作。在学生实验操作分工、实验数据整理、结果分析和报告撰写过程中提高了团队协作能力。

(3)含油固废中的石油烃定性定量分析

在石油的开采、加工、运输和炼制过程中，会产生大量含油固体废物如含油钻屑、罐底油泥等，分析含油固废的石油烃含量和组成对后续处理工艺选择、药剂筛选、工艺参数优化、处理性能评价等至关重要。石油烃是能够被正己烷或正己烷-丙酮提取且不被硅酸镁吸附的C10-C40部分。因此，检测石油烃需要对固体样品进行萃取预处理后，才能进行后续仪器分析。目前石油烃的分析测试方法主要为重量法、色谱法和光谱法，最常用的是气相色谱法。结合质谱定性和外标法定量可以测定石油烃C10-C40中各组分的含量。本实验内容要求学生掌握样品前处理的必要性和处理方法，了解大型分析仪器——气相色谱质谱的工作原理和测定方法。

该实验涉及的理论和操作内容较多，理论部分包括萃取原理、质谱和色谱分析原理；实验操作包括萃取、浓缩、净化、定容预处理以及气相色谱-质谱上机分析测试。学生需要掌握仪器的工作条件、标准样品的制备方法、进样量和方式、仪器操作步骤等，并根据石油烃标准样品保留时间和对应的质谱峰对目标化合物定性分析，同时根据不同浓度标准样品的峰面积绘制标准曲线，对石油烃组分进行定量分析。

实验的设置一方面结合我校环境工程专业特色，使学生掌握石油污染相关指标分析测试方法，另一方面使学生接触大型分析仪器，初步了解科学研究手段，提高科研兴趣，为今后攻读研究生奠定基础。

(4)污泥厌氧消化实验

厌氧消化是生物质固体废物资源化的重要途径之一，也是污水厂污泥稳定化和资源化的主要手段。学生在固废理论课中虽然学习了微生物厌氧降解的原理和工艺过程，但多通过死记硬背的方式进行学习，对水解酸化、产氢产酸和产甲烷的三阶段理论内涵理解不深刻。该实验在厌氧条件下连续运行25天，通过阶段性取样分析，测试pH、溶解性有机物和挥发性脂肪酸的含量，并利用集气袋收集产生的气体，测试气体中氢气、二氧化碳和甲烷的含量变化，通过观察各指标的变化规律，使学生理解厌氧消化的三阶段理论和污泥稳定化和资源化的基本原理。此外，由于厌氧微生物尤其是产甲烷菌对环境条件的要求十分严格，实验过程需要控制温度、pH等各项指标，避免实验失败收集不到沼气。因此，需要学生根据指标的监测数据，及时调节反应器的工艺参数，保证其稳定运行。这一过程提高了学生分析和解决问题的能力，同时也强化了对厌氧消化工艺条件的掌握。

该实验中涉及到的挥发性脂肪酸（VFA）组分和沼气成分的测定需要使用离子色谱和气相色谱，学生可以进一步学习两种色谱类大型分析仪器的原理和使用方法。

3.教学方法

根据学分设置要求，实验内容作为理论课程的补充不宜占用过多课表学时，在实验设置上应难易程度适中。因此，上述四个实验内容中固废性质分析和污泥比阻实验为必做实验，要求学生完成全部实验操作、获取数据并完成报告；含油固废中的石油烃定性定量分析为演示实验，教师课前录制样品前处理、上机分析、数据处理等全过程的视频，课堂上播放视频并讲授石油烃定性分析的实验原理和操作要点，在此基础上给学生部分固废样品的石油烃测试结果，要求学生自己完成定量分析，并提交实验报告；污泥厌氧消化实验周期较长、测试指标较多为选做实验，学生可以在课下完成实验内容，指导教师全程指导，拓展实验动手能力和科研兴趣。

为适应新工科专业建设要求，培养综合创新人才，在教学方法上应提高学生独立思考、独立判断、发现和解决问题的能力[5]。对实验前的准备和预习不要求学生摘抄讲义内容，而是以回答思考题的形式提交预习报告。实验过程分组既要保证团队协作又要避免人数过多练习不充分，每组设置3个人完成实验内容。提交的实验报告要求学生除分析实验数据、总结实验结果外，还要提出自己的思考和对课程内容的建议。

课程采用“过程性评价”和“期末考试”相结合的考核方式。课程成绩由实验操作成绩（35%）、实验报告成绩（35%）和结课考试成绩（30%）构成，详见表1。其中实验操作主要考查学生的操作规范、实验步骤、时间安排、团队协作等；实验报告考查学生处理实验数据、分析总结、文字撰写以及理论知识解决复杂环境问题的能力；期末考试考查学生对基本理论和实验内容的理解和掌握程度。通过课前预习、课上练习、课后复习、考试答题的形式强化学生掌握教学内容，提高动手操作、团队协作和科研创新的能力。

表1 课程考核内容及方式

4.建设计划

(1)进一步完善教学内容

紧跟美丽中国建设进展，增加固废资源化方面的实验内容；紧跟学科前沿和石油行业环保需求，增加含油固废处理方面的工程实验；加强实验课与理论课的关联，提高课程内容的创新性。

(2)继续丰富教学资源

受限于实验场地、设备台套数、药品试剂等条件限制，部分实验难以实现实操训练，通过录制教学视频、线上线下结合等方式，可以进一步拓宽实验内容，摆脱实验条件限制，丰富学生的学习资源，使学生接触了解更多先进大型仪器，拓展知识维度。

(3)不断优化教学方法

进一步合理安排实验内容，使教学环节更加紧凑，在等待实验结果过程中安排演示实验，使教学环节更加紧凑；提高学生学习的主观能动性，增加预习报告和实验报告中思考题的比重，让学生思考实验现象背后的科学问题，提高课程挑战性；在设置更多实验内容的基础上可以让学生进行自我选择，结合后续发展方向，挑选更感兴趣的实验完成课程学分要求，提高课程的灵活度。

5.结语

随着经济社会的快速发展，对固体废物处理和资源化专门人才的需求不断增加。基于新工科人才培养要求和我校环境工程专业特色，开设“固体废物处理与资源化实验”课程对提高学生综合能力和就业竞争力起到重要作用。今后应进一步扩展实验内容，改进教学方法，提高学生的积极性和主观能动性，为培养石油环保领域高水平综合人才奠定基础。