“厭氧消化實(shí)驗(yàn)”在資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的開展

孟曉山 李艷玲 王乾 呼和濤力 周政忠

（常州大學(xué)城鄉(xiāng)礦山研究院，江蘇常州 213164）

隨著資源短缺問題日益突出，資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，資源使用模式由傳統(tǒng)的“資源―產(chǎn)品―廢物”逐漸向“資源―產(chǎn)品―再生資源”新型閉路循環(huán)的模式演變[1]。新模式將“廢物”分選與分離后作為“再生資源”，經(jīng)過加工改造等工藝形成產(chǎn)品進(jìn)行循環(huán)利用。然而，我國(guó)在資源循環(huán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，始終面臨著理論界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)資源循環(huán)的概念、對(duì)象、實(shí)施方式以及系統(tǒng)邊界等沒有形成良好共識(shí)的問題，不利于資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。劉以凡等[2]根據(jù)上述現(xiàn)狀，提出重視資源循環(huán)專業(yè)高級(jí)人才的培養(yǎng)，并從課程體系、專業(yè)教材、實(shí)踐基地建設(shè)、合作交流等方面提出了專業(yè)人才培養(yǎng)的途徑。隨著近幾年教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的發(fā)展提出升級(jí)改造的新要求，實(shí)踐能力強(qiáng)成為新工科人才必備素質(zhì)之一[3]。本研究通過對(duì)資源循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的實(shí)際問題和高級(jí)人才需求進(jìn)行分析，突出實(shí)踐教學(xué)的重要性，并以“資源循環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”為例闡述實(shí)踐教學(xué)在資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的開展，以期為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提供參考，使人才培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

1 專業(yè)人才需求

自2018 年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局將資源循環(huán)相關(guān)產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)目錄以來，資源循環(huán)行業(yè)得到了迅速發(fā)展。資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)屬于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)，人才需求量相對(duì)較大。然而，資源循環(huán)利用的從業(yè)人員往往不具備專業(yè)知識(shí)，不能對(duì)產(chǎn)業(yè)的總體技術(shù)落實(shí)到位，限制了該產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量規(guī)?；l(fā)展，導(dǎo)致我國(guó)在資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中仍存在利用水平不高、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模小、技術(shù)裝備落后、二次污染大及產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊等問題[2]。亟需培養(yǎng)一批能夠綜合運(yùn)用環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、資源科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和管理學(xué)等多學(xué)科科學(xué)方法與技術(shù)手段的高級(jí)人才，使資源使用達(dá)到循環(huán)利用、清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在此背景下，資源循環(huán)相關(guān)產(chǎn)業(yè)人才需求旺盛。以常州市某再生資源公司為例，主要涉及報(bào)廢家用電器、電子產(chǎn)品廢物、退役動(dòng)力電池、半導(dǎo)體企業(yè)邊角料等資源再生業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣，專業(yè)人才需求大，特別是資源循環(huán)相關(guān)的高素質(zhì)技術(shù)人才。

為了滿足我國(guó)對(duì)資源再生利用、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等新興產(chǎn)業(yè)高級(jí)人才的需求，教育部在2010 年部署設(shè)立了資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)。資源循環(huán)科學(xué)與工程是多學(xué)科融合形成的交叉學(xué)科專業(yè)，屬化工與制藥類（化工類）專業(yè)。專業(yè)以“資源再生與循環(huán)”“綠色能源”和“生態(tài)經(jīng)濟(jì)”等為發(fā)展方向，著力培養(yǎng)能夠在資源循環(huán)、環(huán)保及相關(guān)行業(yè)進(jìn)行科學(xué)研究、生產(chǎn)設(shè)計(jì)和技術(shù)管理的工程技術(shù)人才。

2 專業(yè)人才培養(yǎng)

開設(shè)資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)的高校在面向國(guó)家及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，依托高校自身在化工、材料、生態(tài)環(huán)境、冶金等領(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，在學(xué)科建設(shè)、課程設(shè)計(jì)、人才培養(yǎng)等方面形成各具特色的交叉學(xué)科建設(shè)思路。以常州市某高校為例，依托其城鄉(xiāng)礦山研究院為學(xué)科平臺(tái)，以生物質(zhì)高效煉制及高質(zhì)化利用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心、城鄉(xiāng)礦山產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟為實(shí)踐平臺(tái)，結(jié)合該?！盎瘜W(xué)工程與技術(shù)”“環(huán)境科學(xué)與工程”等學(xué)科優(yōu)勢(shì)，著力培養(yǎng)德才兼?zhèn)?，具備資源循環(huán)專業(yè)知識(shí)與技能，具有創(chuàng)新意識(shí)和國(guó)際視野，能夠在化工、環(huán)保、輕工、材料等領(lǐng)域開展科研、生產(chǎn)及管理的專業(yè)型人才，服務(wù)于資源循環(huán)行業(yè)發(fā)展以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

新工科背景下，新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。為適應(yīng)新時(shí)代“新工科”人才培養(yǎng)模式要求，資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)加重了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉[3]。除實(shí)習(xí)外，實(shí)驗(yàn)課程是本科生專業(yè)素質(zhì)形成與實(shí)踐能力提高更為重要的培養(yǎng)途徑。實(shí)驗(yàn)課程貫穿于整個(gè)本科培養(yǎng)階段，并且涉及領(lǐng)域廣是資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案中的特色之一，旨在提高大學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。“資源循環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”是資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)本科生繼“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“化工原理實(shí)驗(yàn)”“化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后開展的綜合性實(shí)驗(yàn)課程。專業(yè)實(shí)驗(yàn)課作為本科生培養(yǎng)最后階段的集中式實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)訓(xùn)練大學(xué)生綜合運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)與技能，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決問題能力至關(guān)重要，可以為最后的畢業(yè)論文環(huán)節(jié)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 “資源循環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”課程的開展

作為資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)中的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，“資源循環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”的開展具有重要的教學(xué)意義。課程采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，設(shè)計(jì)了厭氧消化產(chǎn)沼氣、生物質(zhì)低溫干餾、垃圾熱值的測(cè)定、混凝-電氣浮、工業(yè)廢水綜合設(shè)計(jì)性等八大綜合性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生學(xué)會(huì)與掌握基本研究方法和實(shí)驗(yàn)技能，在實(shí)驗(yàn)過程中能夠聯(lián)系所學(xué)生物轉(zhuǎn)化工程、生物質(zhì)利用原理與技術(shù)、生物化學(xué)、水處理原理等課程理論知識(shí)，并綜合應(yīng)用這些知識(shí)分析與解決問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維方法、理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

本文以“厭氧消化實(shí)驗(yàn)”為例，闡述該綜合性實(shí)驗(yàn)開展過程中所涉及基礎(chǔ)知識(shí)要求以及專業(yè)技能提升情況。課程開展設(shè)計(jì)為前后緊密關(guān)聯(lián)的5 個(gè)模塊，即基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)回顧、厭氧消化原理與應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理、課堂總結(jié)與答疑。

3.1 基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)回顧

回顧涉及到的生物化學(xué)基本知識(shí)、氣相色譜原理及操作、COD 測(cè)定方法以及“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程教授的玻璃器材與儀器設(shè)備的規(guī)范操作及注意事項(xiàng)等。

3.2 厭氧消化原理與應(yīng)用

厭氧消化是有機(jī)物在無氧環(huán)境下被兼氧細(xì)菌和專性厭氧菌降解并生成沼氣的過程，涉及水解、發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷等4個(gè)階段（如圖1 所示）。雖然被分為4個(gè)階段，厭氧消化產(chǎn)甲烷實(shí)則是由一系列“串聯(lián)”的生物化學(xué)反應(yīng)[4]，任何參數(shù)的變化都可能影響反應(yīng)間的平衡，不利于厭氧消化的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，學(xué)會(huì)與掌握關(guān)鍵過程參數(shù)的監(jiān)測(cè)是專業(yè)人才需要掌握的關(guān)鍵技能。

圖1 厭氧消化產(chǎn)甲烷過程示意圖

厭氧消化產(chǎn)沼技術(shù)廣泛應(yīng)用于有機(jī)固體廢棄物（畜禽糞污、餐廚垃圾、秸稈、市政污泥等）以及高濃度有機(jī)廢水（造紙廢水、制糖廢水、釀酒廢水、食品加工廢水等）的處理，是農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、市政工程等領(lǐng)域有機(jī)廢棄物無害化、減量化、資源化利用的重要方式之一。以輕工業(yè)酒類釀造為例，每生產(chǎn)1 t 白酒就會(huì)產(chǎn)生大約3 t 的酒糟，其包含較多未被微生物轉(zhuǎn)化利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（氨基酸、粗蛋白、粗纖維等）和水。相比傳統(tǒng)填埋與焚燒造成的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題，酒糟處理更適合采用厭氧消化技術(shù)，在回收能源氣體的同時(shí)，還可以開發(fā)高附加值的平臺(tái)化合物及有機(jī)肥，不但為企業(yè)解決了污染問題，而且提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，利于釀酒產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。段冠軍[5]研究了3 種濃香型酒糟的厭氧產(chǎn)甲烷性能，沼氣中甲烷濃度均達(dá)到70%以上，高于農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物及畜禽糞污所產(chǎn)生沼氣中的甲烷含量，但是在厭氧消化初期也存在酸化風(fēng)險(xiǎn)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)以餐廚垃圾為處理對(duì)象，采用CSTR 作為厭氧消化裝置，反應(yīng)器為雙層高硼硅玻璃夾套反應(yīng)釜（有效工作體積8 L）。玻璃結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化，有利于提高學(xué)生對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)的理解。反應(yīng)器攪拌速度為120 r/min，循環(huán)水浴溫度設(shè)為中溫（37℃），通過鋁箔采氣袋收集產(chǎn)生的沼氣。厭氧反應(yīng)器采用半連續(xù)運(yùn)行模式，即每日出料、進(jìn)料各一次。

此實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生需要進(jìn)行厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行操作、進(jìn)出料采樣分析等來測(cè)算厭氧系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷率（OLR）、池容產(chǎn)氣率，監(jiān)測(cè)厭氧發(fā)酵液的pH 值、總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）及揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度等指標(biāo)從而評(píng)估厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，最終掌握厭氧反應(yīng)器的操作與調(diào)控技能。所涉及到的儀器有：酸度計(jì)，用于測(cè)定厭氧發(fā)酵液的pH 值；鼓風(fēng)干燥箱測(cè)定發(fā)酵液的TS；馬弗爐測(cè)定發(fā)酵液中固形物的VS；電子天平用于測(cè)定TS、VS 過程中的稱重；高溫消解儀（DRB200，哈希）用于發(fā)酵液樣品中溶解性有機(jī)物的高溫消解，多參數(shù)水質(zhì)分析儀（DR3900，哈希）用于高溫消解液COD 數(shù)值的直讀；氣相色譜儀（GC-2010 Pro，島津）用于發(fā)酵液樣品中的VFAs 濃度的測(cè)定。

3.4 數(shù)據(jù)采集與處理

保持反應(yīng)器密閉，從反應(yīng)器底部放出一定量的發(fā)酵液，測(cè)定其pH 值；分別取5 g 左右的發(fā)酵液及餐廚垃圾漿液用于TS、VS 的測(cè)定；另取一定量發(fā)酵液通過離心、過膜（0.45 μm）得到澄清液體，稀釋后用于SCOD、VFAs 的測(cè)定。在此過程中，既讓學(xué)生回顧了基本的移液管操作技能，也設(shè)置了移液槍使用，將先進(jìn)的儀器耗材帶進(jìn)本科生課堂；OLR 根據(jù)餐廚垃圾VS 數(shù)據(jù)、日投料量以及工作體積計(jì)算；池容產(chǎn)氣率通過每天收集的沼氣體積除以工作體積計(jì)算得出。

3.5 課堂總結(jié)與答疑

課程最后，授課教師對(duì)本次實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理與總結(jié)，點(diǎn)評(píng)學(xué)生的操作技能，檢查學(xué)生的原始數(shù)據(jù)記錄情況，講解實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫要點(diǎn)及規(guī)范，并對(duì)本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、課后思考題、報(bào)告撰寫等進(jìn)行答疑。

通過課后問卷調(diào)查，學(xué)生對(duì)“厭氧消化實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)進(jìn)行了信息反饋，90%的學(xué)生表示，《資源循環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》內(nèi)容豐富，所涉及的知識(shí)面廣，契合資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)特點(diǎn)，“厭氧消化實(shí)驗(yàn)”等實(shí)驗(yàn)課程實(shí)用性強(qiáng)，能很好地激發(fā)本科生對(duì)專業(yè)技能的學(xué)習(xí)興趣。10%的學(xué)生表示課程部分實(shí)操內(nèi)容動(dòng)手機(jī)會(huì)少，儀器配比需要增強(qiáng)，同時(shí)也期望課程結(jié)合資源循環(huán)科學(xué)與工程畢業(yè)生主流的就業(yè)領(lǐng)域開展與時(shí)俱進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由此可見，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)設(shè)置與創(chuàng)新性改革對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升實(shí)踐教學(xué)效果及專業(yè)人才素養(yǎng)起著非常重要的作用。

4 結(jié)束語

“資源循環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”作為資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中一門重要的實(shí)踐類課程，其開展具有重要意義。在厭氧反消化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過對(duì)反應(yīng)器的操作運(yùn)行、樣品采集與預(yù)處理、分析儀器使用以及數(shù)據(jù)處理等，認(rèn)識(shí)并掌握厭氧消化這一資源循環(huán)利用技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生開展科學(xué)研究的基本思路，提高綜合運(yùn)用知識(shí)的實(shí)踐能力，達(dá)到提升專業(yè)素養(yǎng)及創(chuàng)新水平的目的。