基于污泥處理科學(xué)研究的本科教學(xué)實驗設(shè)計研究

張 偉 王 晨 左其亭

（1 鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 河南鄭州 450001;2鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)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(chǎn)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(shù)的推廣應(yīng)用與發(fā)展，污泥的產(chǎn)生量越來越大，種類和性質(zhì)也變得愈加復(fù)雜[2]。污泥中濃縮了廢水中有毒有害物質(zhì)，所以污泥是影響環(huán)境較為嚴(yán)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(guān)于“污泥”主題發(fā)表的論文呈逐年增加的趨勢（如圖1所示，見知網(wǎng)），且對于污泥的研究多集中在污泥脫水。

圖1 近年來關(guān)于“污泥處理”的論文發(fā)表量變化及發(fā)表論文的主題分布

國內(nèi)實驗室對污泥處理進行科學(xué)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(guān)于污泥處理的科研平臺和科學(xué)研究人員開展與“污泥處理”相關(guān)的《固體廢物處理與處置》（以下簡稱《固廢》）本科教學(xué)實驗，具有較大優(yōu)勢。

一、基于污泥處理科研平臺進行本科教學(xué)實驗的優(yōu)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(diào)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(wèi)生填埋等，以上內(nèi)容已涉及固廢的特性分析、預(yù)處理、物化處理、生物處理、填埋處置等“固廢”課程主要章節(jié)內(nèi)容。污泥的處理與處置明顯由多個環(huán)節(jié)組成，而每個環(huán)節(jié)又可與實驗方法的選擇或?qū)嶒炂脚_的搭建一一對應(yīng)。以各學(xué)校最常開設(shè)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(shù)量也較少，但通過該實驗的設(shè)置使學(xué)生系統(tǒng)地掌握污泥特性分析、污泥調(diào)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(xué)實驗平臺無縫對接，節(jié)約裝置購置及人員配置成本

部分學(xué)校存在本科實驗教學(xué)平臺嚴(yán)重欠缺的問題，造成實驗教學(xué)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(xué)實驗平臺提供了良好的硬件及人才條件?？赏ㄟ^學(xué)院的統(tǒng)籌安排，協(xié)調(diào)好科研平臺及本科教學(xué)之間的時間及空間安排，進而實現(xiàn)污泥處理相關(guān)科研平臺直接用于本科教學(xué)實驗。

（三）有助于基于污泥處理的創(chuàng)新實驗設(shè)置及安排

在《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出，“學(xué)校能夠提供達(dá)成畢業(yè)要求所必需的基礎(chǔ)設(shè)施，包括為學(xué)生的實踐活動、創(chuàng)新活動提供有效支持”。同時也要求“培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力”，很明顯，教育部門在加大對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)力度，而基于科研平臺的本科實驗教學(xué)而明顯更有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。以前期文獻閱讀準(zhǔn)備、實驗方案設(shè)計、實驗方案討論、預(yù)實驗論證、系統(tǒng)開展實驗、結(jié)果討論與分析等環(huán)節(jié)均可融入學(xué)生的創(chuàng)新思維。

二、基于污泥處理科研的本科教學(xué)實驗設(shè)計思路

（一）加大文獻閱讀準(zhǔn)備及前期團隊研討

目前，高校本科實驗教學(xué)所參考的資料仍局限于教科書和教師所提供的實驗指導(dǎo)書，在一定程度上形成了對學(xué)生創(chuàng)新思維的局限，不利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。近幾年，關(guān)于“污泥處理”最新進展及相關(guān)成果多發(fā)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(guān)于污泥脫水、消化及微生物處理的最新技術(shù)及相關(guān)裝置。同時，加大文獻的搜集及閱讀量，也有助于提升學(xué)生問題分析的能力，通過文獻閱讀來研究和分析復(fù)雜工程問題。同時，在前期現(xiàn)場教學(xué)基礎(chǔ)上，也明顯發(fā)現(xiàn)以團隊形式進行文獻的搜集及閱讀有助于形成“頭腦風(fēng)暴”式的研討氛圍，激發(fā)出與“污泥處理”相關(guān)的新想法及創(chuàng)新思路。

（二）強化實驗設(shè)計，增強實驗組間的相互“質(zhì)疑”

本科生目前實驗方案設(shè)計能力明顯欠缺，其更多是依托教師所發(fā)放的實驗指導(dǎo)書，按照實驗指導(dǎo)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(shè)計實驗？”“實驗步驟操作依據(jù)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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求，“能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達(dá)、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論”。因此，亟需讓學(xué)生參與到實驗方案的設(shè)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(chǔ)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(shè)計方案。因此，需加強各研討小組之間對方案的相互“質(zhì)疑”，對其設(shè)計方案中污泥處理方法及其細(xì)則進行詳細(xì)論證。

（三）加強實驗結(jié)果討論，并增加與文獻中方法及結(jié)果的對比討論

實驗結(jié)果的研討是整個實驗過程的關(guān)鍵和升華，目前高校本科教學(xué)實驗中對實驗結(jié)果的討論較為單一。在學(xué)生獲得實驗結(jié)果（如污泥的含水率數(shù)據(jù)）后，只進行初步實驗數(shù)據(jù)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(tǒng)分析，即應(yīng)進一步分析“pH條件對污泥脫水率存在何種影響規(guī)律，原因是什么？”。只有進行系統(tǒng)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(guī)律和基本原理。

同時，應(yīng)結(jié)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(jié)果與文獻中的結(jié)果進行對比、分析，揭示其實驗過程的基本原理。

三、結(jié)束語

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