石德智，劉國濤，袁榮煥，彭緒亞

準好氧填埋在固廢綜合實驗中的體系設計

石德智，劉國濤，袁榮煥，彭緒亞

(重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 沙坪壩，400045)

結合重慶大學環(huán)境工程專業(yè)固廢方向特色與科研優(yōu)勢，在本科綜合實驗中引入前沿的準好氧填埋技術，通過合理設計實驗裝置與實驗方案內容，科學設計了以 “物料裝填與啟動”“運行操作與管理” “采樣與指標測試”和 “數據分析處理與總結”的4大環(huán)節(jié)十余步驟，并循環(huán)式合理分組讓學生全過程、全方位參與的實驗，充分培養(yǎng)了學生理論與實際相結合的操作能力、分析問題與解決問題的實踐能力，并激發(fā)了學生對科學研究的興趣、培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)，對培養(yǎng)“知識、能力、素質”協調發(fā)展的專業(yè)人才起到了促進作用。

綜合實驗；準好氧填埋；固體廢物；環(huán)境工程；改革

環(huán)境工程是一門涉及多學科的綜合性和實踐性較強的學科，根據近年來社會各界對畢業(yè)生素質與能力的高要求，需要培養(yǎng)全面發(fā)展的綜合型人才，以適應學科發(fā)展與社會發(fā)展的要求。高等教育中實驗教學是培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新思維能力及解決工程實際問題能力的根本途徑，是理論與實際、知識與能力的融合點[1]，高校需要進一步加強實踐教學環(huán)節(jié)的改革。城市建設與環(huán)境工程學院依托學科學術地位和已有的學術沉淀，結合自身工科特點與人才培養(yǎng)目標，制定了科學、合理，具有特色的專業(yè)教學計劃，并充分發(fā)揮研究型高校的科研優(yōu)勢，從2009級環(huán)境工程本科培養(yǎng)方案中，對已學完專業(yè)基礎課和初步具有專業(yè)實驗操作技能的高年級本科生開設了環(huán)境工程綜合實驗課程。該課程涉及環(huán)境工程原理、環(huán)境化學、環(huán)境生物、環(huán)境監(jiān)測與分析、給水處理、廢水處理和固體廢物處理等多方面的環(huán)境學科相關基礎知識和基本操作技能。作為環(huán)境工程專業(yè)的必修課程而單獨設課，彌補了理論課程單科課夾實驗在實驗技能教學上的孤立性和單一性，從而教給學生一種系統(tǒng)性的環(huán)境研究與操作方法，大大促進了學生綜合素質的提高[2]。

根據我校環(huán)境工程專業(yè)的學科特色，在環(huán)境工程綜合實驗課程中確立了以水污染控制與資源化、固體廢物污染控制與資源化兩大板塊的實驗環(huán)節(jié)。其中，重慶大學是國內環(huán)境工程領域較早開展固體廢物處理處置與污染控制工程設計及科學研究的高等院校之一，在固廢方向現有依托教育部重點實驗室及重慶市重點實驗室，具有十分鮮明的特色和較強的基礎。因此，在現有的固體廢物處理與處置專業(yè)課程理論教學及課程設計的基礎上，在大學四年級第一學期的綜合實驗課程中的固廢污染控制與資源化板塊中，重點開展垃圾填埋反應器的綜合實驗運行與調控，是將重慶大學固體廢物填埋技術方面工程和科研優(yōu)勢與本科教學工作的良性結合，是在環(huán)境學科綜合實驗課程建設與改革中的嘗試創(chuàng)新。

1 實驗的總體思路

1.1 準好氧填埋技術背景

衛(wèi)生填埋即衛(wèi)生土地填埋，是我國當前城鎮(zhèn)垃圾處理的主要方式，占垃圾清運總量的近70。我國目前的填埋方式以傳統(tǒng)的厭氧填埋工藝為主，具有工藝簡單、管理方便、投資少、運行成本低、對垃圾組成無特別要求等優(yōu)點，但同時它也存在著填埋場穩(wěn)定化時間長、滲濾液有機物污染濃度高且處理困難等棘手問題[3]。隨著20世紀70年代國際上關于準好氧填埋技術的出現，通過填埋體內好氧區(qū)域、兼氧區(qū)域和厭氧區(qū)域的調控可強化廢物的有效分解與物質轉化，具有加速填埋場穩(wěn)定、增加填埋場有效容積和減少溫室氣體排放等優(yōu)點，已成為國內外研究及工程應用的熱點[4]。因此，準好氧填埋技術作為未來固體廢物處理領域填埋技術中的前沿，讓學生在理論知識學習的基礎上開展該技術的實踐性綜合實驗，會對學生將來在本專業(yè)領域就業(yè)開展技術工作以及深造具有非常有益的作用。

1.2 實驗設置的思路

目前準好氧填埋技術仍需要進一步促進有機物降解和加速填埋場穩(wěn)定化，以及滲濾液有機污染濃度仍較高待處理的難題[5]。滲濾液循環(huán)回灌處理利用垃圾層和覆蓋層的凈化作用來處理填埋場滲濾液，是既經濟又有效的減控垃圾滲濾液污染的方法[6]。此外，需進一步改善準好氧填埋場環(huán)境，如通過對滲濾液收集導排層的進一步改進設計，使其成為良好的氧氣擴散工具，對促進有機質的降解，氮的轉化和有機質的快速穩(wěn)定，降低滲濾液污染物濃度和減少有害氣體產生起到增強作用[7-8]?；谝陨媳尘埃摼C合實驗的總體思路是通過改進滲濾液收集層結構，改善氧的傳輸條件及在填埋場內分布，強化滲濾液收集層及填埋垃圾體的生物濾床功能，從而促進物質的降解轉化和準好氧填埋場的快速穩(wěn)定，降低滲濾液污染物濃度。

2 實驗的具體內容設計

2.1 實驗的目的

通過填埋綜合實驗，加強學生對準好氧填埋原理的認識和理解，進一步熟悉填埋工藝操作過程；掌握城市垃圾、污泥等固體廢物理化特征，填埋場氣體與滲濾液水質等指標的測試分析的基本原理和基本方法。通過綜合實驗，了解實驗研究方案設計的基本思路和基本方法，培養(yǎng)學生科學研究方面的基本技能，為今后的進一步深造奠定基礎；掌握對實驗數據進行分析和處理的方法，從而得出切合實際的結論，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度和工作作風，為今后的畢業(yè)設計以及畢業(yè)后快速熟悉并勝任專業(yè)工作奠定堅實的基礎。

2.2 實驗的裝置與材料

試驗裝置構造示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置結構示意圖

準好氧填埋模擬柱采用厚度為10 mm的PVC板制成，直徑0.6 m，高1.8 m。每個填埋柱底部鋪設一根50 mm的PVC管作為滲濾液收集管，管壁鉆有4排交錯排列的直徑為8 mm、孔距為20 mm的小孔。滲濾液收集管上用多孔材料覆蓋，形成滲濾液收集層。各填埋柱的滲濾液收集層物料組成及結構如表1所示，按材料種類、收集層高度為變量因子，共有6個處理，即6個填埋模擬柱。

表1 試驗裝置收集層結構設計

在6個填埋柱中， 編號1＃、 2＃、 3＃、 4＃構成對照，能表示相同材料下不同層高的防滲差距；編號4＃、5＃、6＃構成對照，反映相同高度不同材料下的防滲差距。每個填埋柱中央均用鋼絲網圍成一個直徑為50 mm的導氣石籠，內置管徑為20 mm的PVC導氣豎管，豎管鉆有4排交錯排列的直徑為6 mm、孔距為15 mm的小孔，石籠與豎管間填充粒徑為10～20 mm的礫石。底部垃圾填埋高度為1.3 m，為填充固體廢物為生活垃圾與污水處理廠剩余污泥的混合物，上面覆蓋5 cm覆蓋土層。在垃圾頂部鋪設厚度為10 cm、粒徑為15～30 mm的礫石布水層。布水層上設置布水器，滲濾液回灌水箱出水可通過布水器向填埋柱均勻布水。在垃圾填埋高度為25，50，75 cm處分別設置取樣口，采集柱內不同填埋高度處的固體樣品并在同一層高度處布設氣體采集導管。

3 綜合實驗對學生實踐操作的具體要求和能力培養(yǎng)

綜合實驗不同于以往周期較短的分析測試性實驗或單次實驗，而是時間跨度為11～12周的長期連續(xù)性實驗。根據各階段的內容和培養(yǎng)目的的不同，可將綜合實驗的整個過程分為 “物料裝填與啟動”“運行操作與管理” “采樣與指標測試”和“數據分析處理與總結”4個環(huán)節(jié)，4個環(huán)節(jié)是緊密聯系、環(huán)環(huán)相扣、依次進行、循序漸進的過程，如表2所示。4個環(huán)節(jié)體現的是一個 “實驗設計—實驗操作—分析測試—實驗總結”邏輯過程，同時在每個環(huán)節(jié)中也體現了對學生 “科學設計的思維能力、動手操作的實踐能力、提升總結的科研能力”3個方面的綜合培養(yǎng)，既培養(yǎng)了學生通力協作的合作科研精神，也鍛煉了學生獨立解決問題與分析問題的能力。具體實驗中，采用分組循環(huán)式實驗教學[9]，通過實驗分組安排兩個同學為一組，循環(huán)測試3類形態(tài)樣品的10～12種指標，使每名學生在實驗過程中都盡可能地參與了解和操作實驗中不同指標的測試方法和儀器。因此，在本綜合實驗的4個大環(huán)節(jié)中每個分環(huán)節(jié)下的具體實驗內容和具體分工安排，體現了本綜合實驗設置的合理性、科學性和系統(tǒng)性，既是將前沿的準好氧填埋技術的原理和特點通過綜合實驗讓學生深刻領會，也培養(yǎng)了學生實踐動手與分析問題的能力，提高其在將來工作崗位的實踐操作與技術攻關能力，更可以讓學生接觸到前沿科研，培養(yǎng)對科學研究興趣，引導其繼續(xù)深造。

4 綜合實驗對教師的能力及素質要求

綜合實驗課程不同于常規(guī)的單課實驗課的教學，由于各小組的實驗內容和實驗時間不同，且時間跨度長，因此，要求教師必須具有高度的責任感和敬業(yè)精神，對實驗過程耐心指導，并善于引導和啟發(fā)，以充分發(fā)揮學生的主觀能動性。教學團隊的整體水平和素質決定了課程教學的效果，執(zhí)教本實驗課程的教師均為中青年骨干，所有教師均具有博士學位，有扎實的理論基礎、科研能力和實驗技能，有寬厚的知識面，較深的學術造詣，能不斷學習新知識和新技術，及時了解學科的發(fā)展動態(tài)及最新實驗方法，能科學地系統(tǒng)地設計綜合實驗，并能夠將各種新方法、新技術不斷地引入到實驗教學中來。團隊中既有在固廢領域教學科研經驗豐富、理論基礎扎實的中青年博士，也有實驗經驗豐富、能應對學生具體實驗過程中各種問題的高級實驗師，共計教授1名，副教授2名，講師2名，高級實驗師2名。教學團隊充分發(fā)揮每位教師的特點，各盡其能，較好地完成了綜合實驗的設計、實驗講學和實驗輔導，形成了理論基礎和實踐能力雄厚的教學團隊，保證了綜合實驗的高水平運作。

表2 綜合實驗中4個環(huán)節(jié)的具體設置和能力培養(yǎng)

5 結束語

綜合實驗教學旨在培養(yǎng)學生理論與實際相結合的操作能力，實事求是、精益求精的科學態(tài)度，以及分析問題與解決問題的實踐能力[10]，并激發(fā)學生對科學研究的興趣、培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。依托學科自身優(yōu)勢與特點，將前沿的準好氧填埋技術引入到固體廢物污染控制與資源化綜合實驗中，科學合理地設計實驗內容與環(huán)節(jié)，取得了良好的實驗教學效果，對培養(yǎng) “知識、能力、素質”協調發(fā)展的 “三位一體”的實用型、研究型、復合型專業(yè)人才起到了重要作用。

[1]楊秀政.《固體廢物處理與處置》課程實驗教學內容體系設計[J].教育教學論壇，2015(52):248-249.

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[3]章光，白冰.城市生活垃圾生態(tài)填埋技術研究概況和進展[J].巖土力學，2002，23(6):832-834.

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Design of Novel Semi-aerobic Landfill Technology Applied in Comprehensive Experiments of Solid Waste Disposal

SHI Dezhi， LIU Guotao， YUAN Ronghuan， PENG Xuya
(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering， Chongqing University， Shapingba， Chongqing， 400045 China)

Combined with the environmental engineering specialty，the characteristics of solid waste and scientific research advantages of Chongqing University，introduced the prospective semi-aerobic landfill technology in the comprehensive experiment.The rational design of the experimental device and program content were designed reasonably.Four major steps more than ten specific steps which included the material loading and starting， operation and management， sampling and index testing， data analysis and processing and summarywere set up and optimized scientifically.So the students divided into different groups of the cycle to take part in the whole process.It can fully cultivate students'theory and practice of combining the ability to operate，analyze the problem and solve the problem of practical ability.It also can stimulate students'interest in scientific research and to cultivate students'scientific research literacy， cultivate “knowledge， ability， quality” .It play a catalytic role on the coordinated development of professionals.

comprehensive experiment； semi-aerobic landfill； solid waste； environmental engineering； reform

G640.2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.017

2016-08-28；修改日期:2016-09-18

重慶大學本科校級優(yōu)質專業(yè)課程建設項目 “專業(yè)核心課程 (系列)——固體廢物處理與處置(2016-03-30)”。

石德智(1981-)，男，博士，講師，現主要從事固體廢物處理教學與科研，shidezhi＠cqu.edu.cn