石德智 袁榮煥 林慶 李莉 李蕾

摘要針對污泥處置的難題以及好氧堆肥化作為有機(jī)固廢處理核心技術(shù)的教學(xué)需求，結(jié)合重慶大學(xué)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(shí)驗(yàn)中通過合理設(shè)計(jì)市政污泥堆肥實(shí)驗(yàn)方案內(nèi)容，涉及“課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備—課上實(shí)驗(yàn)操作—課后探究分析”三個(gè)階段，科學(xué)設(shè)計(jì)了以“物料裝填與啟動(dòng)”“運(yùn)行操作與管理”“采樣與指標(biāo)測試”和“數(shù)據(jù)分析與總結(jié)”的4大環(huán)節(jié)，并循環(huán)式合理分組讓學(xué)生全過程、全方位參與實(shí)驗(yàn)，充分培養(yǎng)了學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的操作能力、分析問題與解決問題的實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 好氧堆肥；污泥；碳氮比；固體廢物；實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.03.031

重慶大學(xué)是國內(nèi)環(huán)境工程領(lǐng)域較早開展固體廢物處理與污染控制工程設(shè)計(jì)及科學(xué)研究的高等院校之一，設(shè)有三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重慶市三峽庫區(qū)廢物資源化與無害化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在固廢生物處理、填埋處理、熱處理方面均承擔(dān)過國家、省部級課題，我校固廢處理與資源化領(lǐng)域的研究方向齊全、科研特色鮮明。固體廢物處理與資源化實(shí)驗(yàn)是本科高年級環(huán)境工程綜合實(shí)驗(yàn)必修課中的三個(gè)核心板塊之一，[1-2]可在單科課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上教給學(xué)生系統(tǒng)性的研究與操作方法，從而大大促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升。[3]該課程依托省部級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源、瞄向研究熱點(diǎn)，已設(shè)置餐廚垃圾厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)甲烷、滲濾液回灌下的準(zhǔn)好氧填埋、固體廢物亞臨界水熱合成羥基磷灰石吸附材料等探索性綜合實(shí)驗(yàn)，以拓展綜合實(shí)驗(yàn)的研究性內(nèi)涵，有效提升實(shí)驗(yàn)的工程教育質(zhì)量。本文以目前固廢行業(yè)難題與研究熱點(diǎn)——市政污泥為對象，以廢物資源化為目標(biāo)，選取經(jīng)典的好氧堆肥技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，突出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)性、連貫性與創(chuàng)新性，并著重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)、解決實(shí)際工程問題及創(chuàng)新性的能力。[4]

1實(shí)驗(yàn)的總體思路

隨著社會化進(jìn)程加快，城市用水量、污水產(chǎn)生量和污水廠數(shù)量均顯著增加，相應(yīng)的市政污泥（sludge sewage）產(chǎn)生量顯著增大。據(jù)估算，我國目前每年約產(chǎn)生3498—5597萬噸市政污泥。[5]污泥主要由微生物細(xì)胞、胞外聚合物和無機(jī)物組成，其中富含氮、磷、有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。好氧堆肥（aerobic composting）技術(shù)是在有氧條件下，好氧微生物通過自身的分解代謝，將一部分有機(jī)物降解，同時(shí)釋放能量供其生命活動(dòng)；同時(shí)另一部分有機(jī)物通過合成代謝形成新的細(xì)胞物質(zhì)，使微生物不斷增殖。通過好氧堆肥技術(shù)最終可使污泥向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，并生產(chǎn)生物有機(jī)肥等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)污泥資源化。堆肥過程中碳源被轉(zhuǎn)化為CO2和腐殖質(zhì)，氮?jiǎng)t以氨氣的形式散失或者變?yōu)橄跛猁}或亞硝酸鹽，或被微生物同化吸收，因此，碳和氮是堆肥的基本特征之一。若C/N比過低，過量的氮轉(zhuǎn)化為氨氣而損失掉，導(dǎo)致氮營養(yǎng)大量損失；C/N過高，可供消耗的碳元素過多，氮元素養(yǎng)料相對缺乏，細(xì)菌和其他微生物的生長受到限制。為確保堆肥化中微生物降解和轉(zhuǎn)化有機(jī)物的順利進(jìn)行，需控制堆肥化初期的C/N比，一般應(yīng)在20：1～30：1之間。[6]通常污泥的C/N比低于12：1，故通常在物料中加入秸稈、鋸末等調(diào)理劑以調(diào)節(jié)C/N比。此外，接種菌劑強(qiáng)化堆肥過程中微生物的作用也是實(shí)現(xiàn)高效堆肥的主要策略。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過對各堆肥反應(yīng)器設(shè)置不同的堆肥物料初始啟動(dòng)條件，探究其對整個(gè)堆肥過程中物料的物理學(xué)指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)及生物學(xué)指標(biāo)的影響，以加強(qiáng)學(xué)生對好氧堆肥原理及影響因素的深刻理解，對工藝操作和指標(biāo)檢測的實(shí)踐掌握。

2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體單元設(shè)計(jì)

2.1物料裝填與啟動(dòng)

市政污泥好氧堆肥實(shí)驗(yàn)裝置包括：堆肥反應(yīng)器主體（防腐的不銹鋼材質(zhì)，圓柱形，內(nèi)徑40cm，高70cm）、供氧通風(fēng)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、氣體流量計(jì)）、保溫系統(tǒng)（加熱水箱、水泵）、電控系統(tǒng)。圓柱形的堆肥反應(yīng)器的外夾層與保溫系統(tǒng)通過管路連接，控制循環(huán)水溫度在30℃以防止堆肥物料溫度的散失，進(jìn)行堆肥過程的啟動(dòng)；反應(yīng)器底部設(shè)有曝氣孔，通過供氧通風(fēng)系統(tǒng)向堆體物料進(jìn)行正壓送風(fēng)供氧。以不同初始C/N比、是否接種微生物菌劑作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的影響因素，要求學(xué)生根據(jù)污泥、鋸末的含碳量、含氮量、含水率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出設(shè)計(jì)的3個(gè)不同理論初始C/N比下（低C/N比、適宜C/N比、高C/N比），污泥與鋸末的質(zhì)量稱量比，然后稱量物料、調(diào)配、接種菌劑進(jìn)行6個(gè)反應(yīng)器物料裝填（表1）。

具體如下：污泥含水率為80%，C/N比為6.3，含氮率為5.6%；鋸末含水率為40 %，C/N比為225，含氮率為0.26%；以上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（結(jié)果如表1）并稱量配比物料；接種5%的復(fù)合微生物液態(tài)菌劑，含芽孢桿菌、乳酸菌、雙歧桿菌、酵母菌、光合細(xì)菌、放線菌等多種有益微生物。通過本單元鞏固學(xué)生對于堆肥物料元素計(jì)算的理論知識、物料裝填的動(dòng)手實(shí)踐操作。

2.2運(yùn)行操作與管理

采用靜態(tài)堆肥工藝，無法進(jìn)行翻混供氧，因此需定期進(jìn)行通風(fēng)供氧。設(shè)計(jì)每天定時(shí)打開鼓風(fēng)泵，通過管路送風(fēng)到堆體底部向上鼓風(fēng)，時(shí)長1小時(shí)。保持各反應(yīng)器的送風(fēng)量和時(shí)間一致。每天鼓風(fēng)供氧前，通過溫度計(jì)測量堆體中心溫度，依據(jù)溫度判斷堆肥目前處于潛伏階段、中溫增長階段、高溫階段、降溫階段、后腐熟階段中的哪一個(gè)階段；判斷若溫度增長過慢，則需加大鼓風(fēng)供氧促進(jìn)微生物生長；判斷若高溫階段溫度過高，則為防止微生物死亡也需加大鼓風(fēng)促進(jìn)溫度散失。此外，還要注意堆體保溫系統(tǒng)的情況檢查和溫度調(diào)節(jié)，防止冬季溫度過低、保溫不力，造成堆體溫度上升困難，不能高效實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的分解與腐殖化以及病原菌的殺滅。整個(gè)堆肥周期持續(xù)約50-55天，將鍛煉學(xué)生準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器的操控能力以及實(shí)驗(yàn)階段操作的耐心和恒心。

2.3采樣與指標(biāo)測試

根據(jù)堆肥過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，設(shè)計(jì)采樣頻率為前期每3天采樣一次，后期每4-5天采樣一次。表征堆肥過程物料性質(zhì)的指標(biāo)分為3大類[7]：（1）物理學(xué)指標(biāo)：含水率、pH值、電導(dǎo)率；（2）化學(xué)指標(biāo)：揮發(fā)性固體含量、干物質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)、全氮、氨氮、有效磷；（3）生物學(xué)指標(biāo)：種子發(fā)芽指數(shù)。要求學(xué)生按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行樣品采集、樣品預(yù)處理（制備風(fēng)干樣、樣品碾磨）、各項(xiàng)指標(biāo)具體測定，其中涉及凱氏定氮儀、分光光度計(jì)、離心機(jī)、翻轉(zhuǎn)振蕩機(jī)、恒溫培養(yǎng)箱、馬弗爐等儀器具體操作，本單元提升了學(xué)生查閱文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)整理測試方法（表2，p94）、熟悉指標(biāo)測定操作流程、正確進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的能力。

2.4數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

完成整個(gè)堆肥周期內(nèi)各反應(yīng)器所有指標(biāo)測試后，將得到大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生需對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理，要求原始數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的附件。學(xué)生利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析撰寫綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，主要包括兩個(gè)方面：（1）分析各指標(biāo)隨著堆肥時(shí)間的變化趨勢，尤其關(guān)注溫度、含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮、氨氮、有效磷隨堆肥時(shí)間的變化，這反映了堆肥進(jìn)程的順利程度、堆肥物料的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，此外還要關(guān)注種子發(fā)芽指數(shù)的變化規(guī)律，這反映了堆肥物料的腐熟程度、考察了堆肥物料是否仍含有植物毒性物質(zhì)、是否對植物的生長產(chǎn)生抑制作用。（2）分析比較各反應(yīng)器中各指標(biāo)的差異，考察失衡的C/N比與適宜的C/N比對堆肥過程的影響，考察同一C/N比下是否接種菌劑對堆肥過程的影響。要求學(xué)生設(shè)計(jì)采用趨勢圖的形式，以時(shí)間為軸，呈現(xiàn)各指標(biāo)的變化規(guī)律。要求學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)論，深入探討影響污泥堆肥過程的因素及原因，總結(jié)機(jī)理。這將鍛煉學(xué)生正確繪制圖表、規(guī)范撰寫報(bào)告的基礎(chǔ)科研能力，及科學(xué)分析數(shù)據(jù)、深入思考問題的綜合能力。

3實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與學(xué)生能力培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐包括：課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、上課實(shí)踐操作、課后探究分析等三個(gè)階段。（1）課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)“工程知識”的能力，要求學(xué)生查閱資料，鞏固污泥特征及好氧堆肥相關(guān)原理知識、了解相關(guān)測試儀器的操作方法、領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，尤其是設(shè)置不同反應(yīng)器之間差異的目的。（2）課上實(shí)驗(yàn)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生面向工程實(shí)際的“實(shí)踐動(dòng)手”與“分析問題”能力，要求學(xué)生按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行物料采集與裝填、運(yùn)行與管理、采樣與指標(biāo)測試等三個(gè)具體環(huán)節(jié)，具體實(shí)驗(yàn)中分組安排7-8名同學(xué)為一組，進(jìn)行每個(gè)堆肥反應(yīng)器的管理，循環(huán)測試3大類10種指標(biāo)，使每名同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程中均能盡可能地參與了解和操作實(shí)驗(yàn)中不同指標(biāo)的測試方法和儀器，培養(yǎng)了學(xué)生采樣制樣、測試分析、正確計(jì)算的實(shí)踐動(dòng)手能力（表3）。（3）課后探究分析要求學(xué)生針對實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)律現(xiàn)象的展示與分析、機(jī)理的討論與探究，及對實(shí)驗(yàn)過程各種出現(xiàn)的問題及可能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響進(jìn)行分析與探究，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生面向工程實(shí)際的“分析問題”與“解決問題”能力。由課代表匯總所有原始數(shù)據(jù)，分發(fā)交由每位同學(xué)獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與總結(jié)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。課上實(shí)驗(yàn)與課后探究的整個(gè)過程涉及4個(gè)環(huán)節(jié)，是緊密聯(lián)系、依次進(jìn)行、循序漸進(jìn)的過程（表3），體現(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)操作—分析測試—實(shí)驗(yàn)總結(jié)”邏輯過程，同時(shí)在每個(gè)環(huán)節(jié)中也體現(xiàn)了對學(xué)生“科學(xué)設(shè)計(jì)的思維能力、動(dòng)手操作的實(shí)踐能力、提升總結(jié)的科研能力”3個(gè)方面的綜合培養(yǎng)，既培養(yǎng)了學(xué)生通力協(xié)作的合作科研精神，也鍛煉了學(xué)生獨(dú)立解決問題與分析問題的能力。

4結(jié)束語

依托學(xué)科自身優(yōu)勢與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了市政污泥好氧堆肥的系統(tǒng)性綜合實(shí)驗(yàn)，介紹了“課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備—課上實(shí)驗(yàn)操作—課后探究分析”三個(gè)階段中的具體要求，闡述了4個(gè)環(huán)節(jié)中每個(gè)分環(huán)節(jié)下的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和具體分工安排，以及各環(huán)節(jié)對于促進(jìn)學(xué)生掌握“工程知識”、提升“實(shí)踐動(dòng)手”水平、提高“分析問題”與“解決問題”能力的具體貢獻(xiàn)，體現(xiàn)了本綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)置的合理性、科學(xué)性和系統(tǒng)性，既是將污泥好氧堆肥的原理和影響因素通過綜合實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生深刻領(lǐng)會，也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手與分析問題的能力，提高其在將來工作崗位的實(shí)踐操作與技術(shù)攻關(guān)能力，更可以培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，這對培養(yǎng)“知識、能力、素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的“三位一體”的實(shí)用型、研究型、復(fù)合型專業(yè)人才起到了重要作用。

*通訊作者：石德智

基金項(xiàng)目：2019年度重慶大學(xué)一流專業(yè)核心課程群建設(shè)項(xiàng)目“環(huán)境工程專業(yè)核心課程群”（項(xiàng)目編號：02190051071009）。

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