市政污泥好氧堆肥在固废综合实验中的教学设计与实践

石德智 袁荣焕 林庆 李莉 李蕾

摘要针对污泥处置的难题以及好氧堆肥化作为有机固废处理核心技术的教学需求，结合重庆大学环境工程专业固废方向特色与科研优势，在本科综合实验中通过合理设计市政污泥堆肥实验方案内容，涉及“课前预习准备—课上实验操作—课后探究分析”三个阶段，科学设计了以“物料装填与启动”“运行操作与管理”“采样与指标测试”和“数据分析与总结”的4大环节，并循环式合理分组让学生全过程、全方位参与实验，充分培养了学生理论与实际相结合的操作能力、分析问题与解决问题的实践能力。

关键词 好氧堆肥；污泥；碳氮比；固体废物；实验教学设计

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.03.031

重庆大学是国内环境工程领域较早开展固体废物处理与污染控制工程设计及科学研究的高等院校之一，设有三峡库区生态环境教育部重点实验室、重庆市三峡库区废物资源化与无害化重点实验室，在固废生物处理、填埋处理、热处理方面均承担过国家、省部级课题，我校固废处理与资源化领域的研究方向齐全、科研特色鲜明。固体废物处理与资源化实验是本科高年级环境工程综合实验必修课中的三个核心板块之一，[1-2]可在单科课程实验的基础之上教给学生系统性的研究与操作方法，从而大大促进学生综合素质的提升。[3]该课程依托省部级重点实验室及国家级实验教学示范中心，充分利用现有实验资源、瞄向研究热点，已设置餐厨垃圾厌氧生物发酵产甲烷、渗滤液回灌下的准好氧填埋、固体废物亚临界水热合成羟基磷灰石吸附材料等探索性综合实验，以拓展综合实验的研究性内涵，有效提升实验的工程教育质量。本文以目前固废行业难题与研究热点——市政污泥为对象，以废物资源化为目标，选取经典的好氧堆肥技术进行实验设计，突出实验项目的系统性、连贯性与创新性，并着重培养学生理论联系实验、解决实际工程问题及创新性的能力。[4]

1实验的总体思路

随着社会化进程加快，城市用水量、污水产生量和污水厂数量均显著增加，相应的市政污泥（sludge sewage）产生量显著增大。据估算，我国目前每年约产生3498—5597万吨市政污泥。[5]污泥主要由微生物细胞、胞外聚合物和无机物组成，其中富含氮、磷、有机质等营养物质。好氧堆肥（aerobic composting）技术是在有氧条件下，好氧微生物通过自身的分解代谢，将一部分有机物降解，同时释放能量供其生命活动；同时另一部分有机物通过合成代谢形成新的细胞物质，使微生物不断增殖。通过好氧堆肥技术最终可使污泥向稳定的腐殖质转化，并生产生物有机肥等产品实现污泥资源化。堆肥过程中碳源被转化为CO2和腐殖质，氮则以氨气的形式散失或者变为硝酸盐或亚硝酸盐，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比过低，过量的氮转化为氨气而损失掉，导致氮营养大量损失；C/N过高，可供消耗的碳元素过多，氮元素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长受到限制。为确保堆肥化中微生物降解和转化有机物的顺利进行，需控制堆肥化初期的C/N比，一般应在20：1～30：1之间。[6]通常污泥的C/N比低于12：1，故通常在物料中加入秸秆、锯末等调理剂以调节C/N比。此外，接种菌剂强化堆肥过程中微生物的作用也是实现高效堆肥的主要策略。因此，本实验设计通过对各堆肥反应器设置不同的堆肥物料初始启动条件，探究其对整个堆肥过程中物料的物理学指标、化学指标及生物学指标的影响，以加强学生对好氧堆肥原理及影响因素的深刻理解，对工艺操作和指标检测的实践掌握。

2实验内容的具体单元设计

2.1物料装填与启动

市政污泥好氧堆肥实验装置包括：堆肥反应器主体（防腐的不锈钢材质，圆柱形，内径40cm，高70cm）、供氧通风系统（风机、气体流量计）、保温系统（加热水箱、水泵）、电控系统。圆柱形的堆肥反应器的外夹层与保温系统通过管路连接，控制循環水温度在30℃以防止堆肥物料温度的散失，进行堆肥过程的启动；反应器底部设有曝气孔，通过供氧通风系统向堆体物料进行正压送风供氧。以不同初始C/N比、是否接种微生物菌剂作为实验设计的影响因素，要求学生根据污泥、锯末的含碳量、含氮量、含水率等基础数据，计算出设计的3个不同理论初始C/N比下（低C/N比、适宜C/N比、高C/N比），污泥与锯末的质量称量比，然后称量物料、调配、接种菌剂进行6个反应器物料装填（表1）。

具体如下：污泥含水率为80%，C/N比为6.3，含氮率为5.6%；锯末含水率为40 %，C/N比为225，含氮率为0.26%；以上述数据进行计算（结果如表1）并称量配比物料；接种5%的复合微生物液态菌剂，含芽孢杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、酵母菌、光合细菌、放线菌等多种有益微生物。通过本单元巩固学生对于堆肥物料元素计算的理论知识、物料装填的动手实践操作。

2.2运行操作与管理

采用静态堆肥工艺，无法进行翻混供氧，因此需定期进行通风供氧。设计每天定时打开鼓风泵，通过管路送风到堆体底部向上鼓风，时长1小时。保持各反应器的送风量和时间一致。每天鼓风供氧前，通过温度计测量堆体中心温度，依据温度判断堆肥目前处于潜伏阶段、中温增长阶段、高温阶段、降温阶段、后腐熟阶段中的哪一个阶段；判断若温度增长过慢，则需加大鼓风供氧促进微生物生长；判断若高温阶段温度过高，则为防止微生物死亡也需加大鼓风促进温度散失。此外，还要注意堆体保温系统的情况检查和温度调节，防止冬季温度过低、保温不力，造成堆体温度上升困难，不能高效实现有机物的分解与腐殖化以及病原菌的杀灭。整个堆肥周期持续约50-55天，将锻炼学生准确把握实验反应器的操控能力以及实验阶段操作的耐心和恒心。

2.3采样与指标测试

根据堆肥过程物质转化规律，设计采样频率为前期每3天采样一次，后期每4-5天采样一次。表征堆肥过程物料性质的指标分为3大类[7]：（1）物理学指标：含水率、pH值、电导率；（2）化学指标：挥发性固体含量、干物质含量、有机质、全氮、氨氮、有效磷；（3）生物学指标：种子发芽指数。要求学生按照国家相关标准，进行样品采集、样品预处理（制备风干样、样品碾磨）、各项指标具体测定，其中涉及凯氏定氮仪、分光光度计、离心机、翻转振荡机、恒温培养箱、马弗炉等仪器具体操作，本单元提升了学生查阅文献标准整理测试方法（表2，p94）、熟悉指标测定操作流程、正确进行数值计算的能力。

2.4数据分析与总结

完成整个堆肥周期内各反应器所有指标测试后，将得到大量实验数据，学生需对这些原始数据进行系统的整理，要求原始数据作为实验报告的附件。学生利用这些数据进行分析撰写综合实验报告，主要包括两个方面：（1）分析各指标随着堆肥时间的变化趋势，尤其关注温度、含水率、有机质、全氮、氨氮、有效磷随堆肥时间的变化，这反映了堆肥进程的顺利程度、堆肥物料的物质转化，此外还要关注种子发芽指数的变化规律，这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质、是否对植物的生长产生抑制作用。（2）分析比较各反应器中各指标的差异，考察失衡的C/N比与适宜的C/N比对堆肥过程的影响，考察同一C/N比下是否接种菌剂对堆肥过程的影响。要求学生设计采用趋势图的形式，以时间为轴，呈现各指标的变化规律。要求学生查阅相关文献的数据和结论，深入探讨影响污泥堆肥过程的因素及原因，总结机理。这将锻炼学生正确绘制图表、规范撰写报告的基础科研能力，及科学分析数据、深入思考问题的综合能力。

3实验实践与学生能力培养

实验实践包括：课前预习准备、上课实践操作、课后探究分析等三个阶段。（1）课前预习准备是培养学生自主学习并掌握相关“工程知识”的能力，要求学生查阅资料，巩固污泥特征及好氧堆肥相关原理知识、了解相关测试仪器的操作方法、领会实验指导书中的实验目标与实验设计内容，尤其是设置不同反应器之间差异的目的。（2）课上实验侧重于培养学生面向工程实际的“实践动手”与“分析问题”能力，要求学生按照设计的实验步骤，进行物料采集与装填、运行与管理、采样与指标测试等三个具体环节，具体实验中分组安排7-8名同学为一组，进行每个堆肥反应器的管理，循环测试3大类10种指标，使每名同学在实验过程中均能尽可能地参与了解和操作实验中不同指标的测试方法和仪器，培养了学生采样制样、测试分析、正确计算的实践动手能力（表3）。（3）课后探究分析要求学生针对实验得到的结果进行数据规律现象的展示与分析、机理的讨论与探究，及对实验过程各种出现的问题及可能对实验结果造成的影响进行分析与探究，侧重于培养学生面向工程实际的“分析问题”与“解决问题”能力。由课代表汇总所有原始数据，分发交由每位同学独立进行数据分析与总结，完成实验报告的撰写。课上实验与课后探究的整个过程涉及4个环节，是紧密联系、依次进行、循序渐进的过程（表3），体现了“实验设计—实验操作—分析测试—实验总结”逻辑过程，同时在每个环节中也体现了对学生“科学设计的思维能力、动手操作的实践能力、提升总结的科研能力”3个方面的综合培养，既培养了学生通力协作的合作科研精神，也锻炼了学生独立解决问题与分析问题的能力。

4结束语

依托学科自身优势与特点，设计了市政污泥好氧堆肥的系统性综合实验，介绍了“课前预习准备—课上实验操作—课后探究分析”三个阶段中的具体要求，阐述了4个环节中每个分环节下的具体实验内容和具体分工安排，以及各环节对于促进学生掌握“工程知识”、提升“实践动手”水平、提高“分析问题”与“解决问题”能力的具体贡献，体现了本综合实验设置的合理性、科学性和系统性，既是将污泥好氧堆肥的原理和影響因素通过综合实验让学生深刻领会，也培养了学生实践动手与分析问题的能力，提高其在将来工作岗位的实践操作与技术攻关能力，更可以培养学生对科学研究的兴趣，这对培养“知识、能力、素质”协调发展的“三位一体”的实用型、研究型、复合型专业人才起到了重要作用。

*通讯作者：石德智

基金项目：2019年度重庆大学一流专业核心课程群建设项目“环境工程专业核心课程群”（项目编号：02190051071009）。

参考文献

[1]石德智，刘国涛，袁荣焕，等.准好氧填埋在固废综合实验中的体系设计[J].实验科学与技术，2017，15（5）：69-72.

[2]石德智，李莉，袁荣焕.固废综合实验中探究性实验的教学设计——以eggshell-derived HAP制备及其吸附性能研究为例.高教学刊， 2021，7（13）：75-79.

[3]高冬梅，李莉.以科研促教学，开展环境科学综合实验的探索[J].实验室科学，2007（2）：20-22.

[4]杨秀政.《固体废物处理与处置》课程实验教学内容体系设计[J].教育教学论坛，2015，52：248-249.

[5]庄僖，许榕发，罗伟铿，等.市政污泥与生活垃圾掺烧的重金属排放特征与风险[J].生态环境学报，2020，29（1）：199-206.

[6]黄艳艳，杨旭，杨红竹，等.碳氮比对热带地区鸡粪和蔗渣堆肥腐熟进程的影响[J].中国农学通报，2020，36（21）：61-68.

[7]李承强，魏源送，樊耀波，等.堆肥腐熟度的研究进展[J].环境科学进展，1999，7（6）：1-12.