市政污泥好氧堆肥在固廢綜合實驗中的教學設計與實踐

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固廢處理核心技術的教學需求，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，在本科綜合實驗中通過合理設計市政污泥堆肥實驗方案內容，涉及“課前預習準備—課上實驗操作—課后探究分析”三個階段，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(shù)據(jù)分析與總結”的4大環(huán)節(jié)，并循環(huán)式合理分組讓學生全過程、全方位參與實驗，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。

關鍵詞 好氧堆肥；污泥；碳氮比；固體廢物；實驗教學設計

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.03.031

重慶大學是國內環(huán)境工程領域較早開展固體廢物處理與污染控制工程設計及科學研究的高等院校之一，設有三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室、重慶市三峽庫區(qū)廢物資源化與無害化重點實驗室，在固廢生物處理、填埋處理、熱處理方面均承擔過國家、省部級課題，我校固廢處理與資源化領域的研究方向齊全、科研特色鮮明。固體廢物處理與資源化實驗是本科高年級環(huán)境工程綜合實驗必修課中的三個核心板塊之一，[1-2]可在單科課程實驗的基礎之上教給學生系統(tǒng)性的研究與操作方法，從而大大促進學生綜合素質的提升。[3]該課程依托省部級重點實驗室及國家級實驗教學示范中心，充分利用現(xiàn)有實驗資源、瞄向研究熱點，已設置餐廚垃圾厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)甲烷、滲濾液回灌下的準好氧填埋、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驗，以拓展綜合實驗的研究性內涵，有效提升實驗的工程教育質量。本文以目前固廢行業(yè)難題與研究熱點——市政污泥為對象，以廢物資源化為目標，選取經(jīng)典的好氧堆肥技術進行實驗設計，突出實驗項目的系統(tǒng)性、連貫性與創(chuàng)新性，并著重培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實驗、解決實際工程問題及創(chuàng)新性的能力。[4]

1實驗的總體思路

隨著社會化進程加快，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胞、胞外聚合物和無機物組成，其中富含氮、磷、有機質等營養(yǎng)物質。好氧堆肥（aerobic composting）技術是在有氧條件下，好氧微生物通過自身的分解代謝，將一部分有機物降解，同時釋放能量供其生命活動；同時另一部分有機物通過合成代謝形成新的細胞物質，使微生物不斷增殖。通過好氧堆肥技術最終可使污泥向穩(wěn)定的腐殖質轉化，并生產(chǎn)生物有機肥等產(chǎn)品實現(xiàn)污泥資源化。堆肥過程中碳源被轉化為CO2和腐殖質，氮則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，過量的氮轉化為氨氣而損失掉，導致氮營養(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化有機物的順利進行，需控制堆肥化初期的C/N比，一般應在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、鋸末等調理劑以調節(jié)C/N比。此外，接種菌劑強化堆肥過程中微生物的作用也是實現(xiàn)高效堆肥的主要策略。因此，本實驗設計通過對各堆肥反應器設置不同的堆肥物料初始啟動條件，探究其對整個堆肥過程中物料的物理學指標、化學指標及生物學指標的影響，以加強學生對好氧堆肥原理及影響因素的深刻理解，對工藝操作和指標檢測的實踐掌握。

2實驗內容的具體單元設計

2.1物料裝填與啟動

市政污泥好氧堆肥實驗裝置包括：堆肥反應器主體（防腐的不銹鋼材質，圓柱形，內徑40cm，高70cm）、供氧通風系統(tǒng)（風機、氣體流量計）、保溫系統(tǒng)（加熱水箱、水泵）、電控系統(tǒng)。圓柱形的堆肥反應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，進行堆肥過程的啟動；反應器底部設有曝氣孔，通過供氧通風系統(tǒng)向堆體物料進行正壓送風供氧。以不同初始C/N比、是否接種微生物菌劑作為實驗設計的影響因素，要求學生根據(jù)污泥、鋸末的含碳量、含氮量、含水率等基礎數(shù)據(jù)，計算出設計的3個不同理論初始C/N比下（低C/N比、適宜C/N比、高C/N比），污泥與鋸末的質量稱量比，然后稱量物料、調配、接種菌劑進行6個反應器物料裝填（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)進行計算（結果如表1）并稱量配比物料；接種5%的復合微生物液態(tài)菌劑，含芽孢桿菌、乳酸菌、雙歧桿菌、酵母菌、光合細菌、放線菌等多種有益微生物。通過本單元鞏固學生對于堆肥物料元素計算的理論知識、物料裝填的動手實踐操作。

2.2運行操作與管理

采用靜態(tài)堆肥工藝，無法進行翻混供氧，因此需定期進行通風供氧。設計每天定時打開鼓風泵，通過管路送風到堆體底部向上鼓風，時長1小時。保持各反應器的送風量和時間一致。每天鼓風供氧前，通過溫度計測量堆體中心溫度，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階段；判斷若溫度增長過慢，則需加大鼓風供氧促進微生物生長；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促進溫度散失。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，不能高效實現(xiàn)有機物的分解與腐殖化以及病原菌的殺滅。整個堆肥周期持續(xù)約50-55天，將鍛煉學生準確把握實驗反應器的操控能力以及實驗階段操作的耐心和恒心。

2.3采樣與指標測試

根據(jù)堆肥過程物質轉化規(guī)律，設計采樣頻率為前期每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的指標分為3大類[7]：（1）物理學指標：含水率、pH值、電導率；（2）化學指標：揮發(fā)性固體含量、干物質含量、有機質、全氮、氨氮、有效磷；（3）生物學指標：種子發(fā)芽指數(shù)。要求學生按照國家相關標準，進行樣品采集、樣品預處理（制備風干樣、樣品碾磨）、各項指標具體測定，其中涉及凱氏定氮儀、分光光度計、離心機、翻轉振蕩機、恒溫培養(yǎng)箱、馬弗爐等儀器具體操作，本單元提升了學生查閱文獻標準整理測試方法（表2，p94）、熟悉指標測定操作流程、正確進行數(shù)值計算的能力。

2.4數(shù)據(jù)分析與總結

完成整個堆肥周期內各反應器所有指標測試后，將得到大量實驗數(shù)據(jù)，學生需對這些原始數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的整理，要求原始數(shù)據(jù)作為實驗報告的附件。學生利用這些數(shù)據(jù)進行分析撰寫綜合實驗報告，主要包括兩個方面：（1）分析各指標隨著堆肥時間的變化趨勢，尤其關注溫度、含水率、有機質、全氮、氨氮、有效磷隨堆肥時間的變化，這反映了堆肥進程的順利程度、堆肥物料的物質轉化，此外還要關注種子發(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、是否對植物的生長產(chǎn)生抑制作用。（2）分析比較各反應器中各指標的差異，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。要求學生設計采用趨勢圖的形式，以時間為軸，呈現(xiàn)各指標的變化規(guī)律。要求學生查閱相關文獻的數(shù)據(jù)和結論，深入探討影響污泥堆肥過程的因素及原因，總結機理。這將鍛煉學生正確繪制圖表、規(guī)范撰寫報告的基礎科研能力，及科學分析數(shù)據(jù)、深入思考問題的綜合能力。

3實驗實踐與學生能力培養(yǎng)

實驗實踐包括：課前預習準備、上課實踐操作、課后探究分析等三個階段。（1）課前預習準備是培養(yǎng)學生自主學習并掌握相關“工程知識”的能力，要求學生查閱資料，鞏固污泥特征及好氧堆肥相關原理知識、了解相關測試儀器的操作方法、領會實驗指導書中的實驗目標與實驗設計內容，尤其是設置不同反應器之間差異的目的。（2）課上實驗側重于培養(yǎng)學生面向工程實際的“實踐動手”與“分析問題”能力，要求學生按照設計的實驗步驟，進行物料采集與裝填、運行與管理、采樣與指標測試等三個具體環(huán)節(jié)，具體實驗中分組安排7-8名同學為一組，進行每個堆肥反應器的管理，循環(huán)測試3大類10種指標，使每名同學在實驗過程中均能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，培養(yǎng)了學生采樣制樣、測試分析、正確計算的實踐動手能力（表3）。（3）課后探究分析要求學生針對實驗得到的結果進行數(shù)據(jù)規(guī)律現(xiàn)象的展示與分析、機理的討論與探究，及對實驗過程各種出現(xiàn)的問題及可能對實驗結果造成的影響進行分析與探究，側重于培養(yǎng)學生面向工程實際的“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)交由每位同學獨立進行數(shù)據(jù)分析與總結，完成實驗報告的撰寫。課上實驗與課后探究的整個過程涉及4個環(huán)節(jié)，是緊密聯(lián)系、依次進行、循序漸進的過程（表3），體現(xiàn)了“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(xiàn)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(xié)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。

4結束語

依托學科自身優(yōu)勢與特點，設計了市政污泥好氧堆肥的系統(tǒng)性綜合實驗，介紹了“課前預習準備—課上實驗操作—課后探究分析”三個階段中的具體要求，闡述了4個環(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，以及各環(huán)節(jié)對于促進學生掌握“工程知識”、提升“實踐動手”水平、提高“分析問題”與“解決問題”能力的具體貢獻，體現(xiàn)了本綜合實驗設置的合理性、科學性和系統(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，更可以培養(yǎng)學生對科學研究的興趣，這對培養(yǎng)“知識、能力、素質”協(xié)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。

*通訊作者：石德智

基金項目：2019年度重慶大學一流專業(yè)核心課程群建設項目“環(huán)境工程專業(yè)核心課程群”（項目編號：02190051071009）。

參考文獻

[1]石德智，劉國濤，袁榮煥，等.準好氧填埋在固廢綜合實驗中的體系設計[J].實驗科學與技術，2017，15（5）：69-72.

[2]石德智，李莉，袁榮煥.固廢綜合實驗中探究性實驗的教學設計——以eggshell-derived HAP制備及其吸附性能研究為例.高教學刊， 2021，7（13）：75-79.

[3]高冬梅，李莉.以科研促教學，開展環(huán)境科學綜合實驗的探索[J].實驗室科學，2007（2）：20-22.

[4]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.

[5]莊僖，許榕發(fā)，羅偉鏗，等.市政污泥與生活垃圾摻燒的重金屬排放特征與風險[J].生態(tài)環(huán)境學報，2020，29（1）：199-206.

[6]黃艷艷，楊旭，楊紅竹，等.碳氮比對熱帶地區(qū)雞糞和蔗渣堆肥腐熟進程的影響[J].中國農(nóng)學通報，2020，36（21）：61-68.

[7]李承強，魏源送，樊耀波，等.堆肥腐熟度的研究進展[J].環(huán)境科學進展，1999，7（6）：1-12.