“厌氧消化实验”在资源循环科学与工程专业人才培养中的开展

孟晓山 李艳玲 王乾 呼和涛力 周政忠

（常州大学城乡矿山研究院，江苏常州 213164）

随着资源短缺问题日益突出，资源循环利用产业应运而生，资源使用模式由传统的“资源―产品―废物”逐渐向“资源―产品―再生资源”新型闭路循环的模式演变[1]。新模式将“废物”分选与分离后作为“再生资源”，经过加工改造等工艺形成产品进行循环利用。然而，我国在资源循环产业发展过程中，始终面临着理论界和产业界对资源循环的概念、对象、实施方式以及系统边界等没有形成良好共识的问题，不利于资源循环利用产业的健康发展。刘以凡等[2]根据上述现状，提出重视资源循环专业高级人才的培养，并从课程体系、专业教材、实践基地建设、合作交流等方面提出了专业人才培养的途径。随着近几年教育部积极推进新工科建设，对传统工科专业的发展提出升级改造的新要求，实践能力强成为新工科人才必备素质之一[3]。本研究通过对资源循环产业面临的实际问题和高级人才需求进行分析，突出实践教学的重要性，并以“资源循环专业实验”为例阐述实践教学在资源循环科学与工程专业人才培养中的开展，以期为培养学生动手能力、实践能力和创新能力提供参考，使人才培养适应当今社会产业发展需求。

1 专业人才需求

自2018 年国家统计局将资源循环相关产业纳入国家战略新兴产业目录以来，资源循环行业得到了迅速发展。资源循环利用产业属于劳动密集型的产业，人才需求量相对较大。然而，资源循环利用的从业人员往往不具备专业知识，不能对产业的总体技术落实到位，限制了该产业的高质量规模化发展，导致我国在资源循环利用产业的发展过程中仍存在利用水平不高、产业化规模小、技术装备落后、二次污染大及产品质量参差不齐等问题[2]。亟需培养一批能够综合运用环境科学、生态学、资源科学、经济学和管理学等多学科科学方法与技术手段的高级人才，使资源使用达到循环利用、清洁生产和可持续发展目标。在此背景下，资源循环相关产业人才需求旺盛。以常州市某再生资源公司为例，主要涉及报废家用电器、电子产品废物、退役动力电池、半导体企业边角料等资源再生业务，业务领域广，专业人才需求大，特别是资源循环相关的高素质技术人才。

为了满足我国对资源再生利用、节能减排、循环经济等新兴产业高级人才的需求，教育部在2010 年部署设立了资源循环科学与工程专业。资源循环科学与工程是多学科融合形成的交叉学科专业，属化工与制药类（化工类）专业。专业以“资源再生与循环”“绿色能源”和“生态经济”等为发展方向，着力培养能够在资源循环、环保及相关行业进行科学研究、生产设计和技术管理的工程技术人才。

2 专业人才培养

开设资源循环科学与工程专业的高校在面向国家及地方经济发展需求，依托高校自身在化工、材料、生态环境、冶金等领域的专业优势，在学科建设、课程设计、人才培养等方面形成各具特色的交叉学科建设思路。以常州市某高校为例，依托其城乡矿山研究院为学科平台，以生物质高效炼制及高质化利用国家地方联合工程研究中心、城乡矿山产学研联盟为实践平台，结合该校“化学工程与技术”“环境科学与工程”等学科优势，着力培养德才兼备，具备资源循环专业知识与技能，具有创新意识和国际视野，能够在化工、环保、轻工、材料等领域开展科研、生产及管理的专业型人才，服务于资源循环行业发展以及区域社会经济建设。

新工科背景下，新兴产业和新经济需要实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。为适应新时代“新工科”人才培养模式要求，资源循环科学与工程专业加重了对学生实践能力的锻炼[3]。除实习外，实验课程是本科生专业素质形成与实践能力提高更为重要的培养途径。实验课程贯穿于整个本科培养阶段，并且涉及领域广是资源循环科学与工程专业培养方案中的特色之一，旨在提高大学生的综合实践能力。“资源循环专业实验”是资源循环科学与工程专业本科生继“基础化学实验”“化工原理实验”“化工虚拟仿真实验”等专业基础实验后开展的综合性实验课程。专业实验课作为本科生培养最后阶段的集中式实践教学环节，对训练大学生综合运用大学期间所学知识与技能，培养独立分析和解决问题能力至关重要，可以为最后的毕业论文环节打下坚实基础。

3 “资源循环专业实验”课程的开展

作为资源循环科学与工程专业建设中的实践教学环节，“资源循环专业实验”的开展具有重要的教学意义。课程采用实验教学方式，设计了厌氧消化产沼气、生物质低温干馏、垃圾热值的测定、混凝-电气浮、工业废水综合设计性等八大综合性实验，要求学生学会与掌握基本研究方法和实验技能，在实验过程中能够联系所学生物转化工程、生物质利用原理与技术、生物化学、水处理原理等课程理论知识，并综合应用这些知识分析与解决问题，进而培养学生创造性思维方法、理论联系实际的学风与严谨的科学实验态度，提高实践动手能力。

本文以“厌氧消化实验”为例，阐述该综合性实验开展过程中所涉及基础知识要求以及专业技能提升情况。课程开展设计为前后紧密关联的5 个模块，即基础专业知识回顾、厌氧消化原理与应用、实验设计与仪器设备、数据采集与处理、课堂总结与答疑。

3.1 基础专业知识回顾

回顾涉及到的生物化学基本知识、气相色谱原理及操作、COD 测定方法以及“基础化学实验”课程教授的玻璃器材与仪器设备的规范操作及注意事项等。

3.2 厌氧消化原理与应用

厌氧消化是有机物在无氧环境下被兼氧细菌和专性厌氧菌降解并生成沼气的过程，涉及水解、发酵产酸、产氢产乙酸、产甲烷等4个阶段（如图1 所示）。虽然被分为4个阶段，厌氧消化产甲烷实则是由一系列“串联”的生物化学反应[4]，任何参数的变化都可能影响反应间的平衡，不利于厌氧消化的稳定运行。因此，学会与掌握关键过程参数的监测是专业人才需要掌握的关键技能。

图1 厌氧消化产甲烷过程示意图

厌氧消化产沼技术广泛应用于有机固体废弃物（畜禽粪污、餐厨垃圾、秸秆、市政污泥等）以及高浓度有机废水（造纸废水、制糖废水、酿酒废水、食品加工废水等）的处理，是农业、轻工业、市政工程等领域有机废弃物无害化、减量化、资源化利用的重要方式之一。以轻工业酒类酿造为例，每生产1 t 白酒就会产生大约3 t 的酒糟，其包含较多未被微生物转化利用的营养物质（氨基酸、粗蛋白、粗纤维等）和水。相比传统填埋与焚烧造成的资源浪费、环境污染等问题，酒糟处理更适合采用厌氧消化技术，在回收能源气体的同时，还可以开发高附加值的平台化合物及有机肥，不但为企业解决了污染问题，而且提高了企业的经济效益，利于酿酒产业的可持续发展。段冠军[5]研究了3 种浓香型酒糟的厌氧产甲烷性能，沼气中甲烷浓度均达到70%以上，高于农业有机废弃物及畜禽粪污所产生沼气中的甲烷含量，但是在厌氧消化初期也存在酸化风险，需要实时监测与调控。

3.3 实验设计与仪器设备

实验以餐厨垃圾为处理对象，采用CSTR 作为厌氧消化装置，反应器为双层高硼硅玻璃夹套反应釜（有效工作体积8 L）。玻璃结构增强了反应器内部结构的可视化，有利于提高学生对反应器运行状态的理解。反应器搅拌速度为120 r/min，循环水浴温度设为中温（37℃），通过铝箔采气袋收集产生的沼气。厌氧反应器采用半连续运行模式，即每日出料、进料各一次。

此实验课程中，学生需要进行厌氧反应器的运行操作、进出料采样分析等来测算厌氧系统的有机负荷率（OLR）、池容产气率，监测厌氧发酵液的pH 值、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、溶解性化学需氧量（SCOD）及挥发性脂肪酸（VFAs）浓度等指标从而评估厌氧反应器的运行状态，最终掌握厌氧反应器的操作与调控技能。所涉及到的仪器有：酸度计，用于测定厌氧发酵液的pH 值；鼓风干燥箱测定发酵液的TS；马弗炉测定发酵液中固形物的VS；电子天平用于测定TS、VS 过程中的称重；高温消解仪（DRB200，哈希）用于发酵液样品中溶解性有机物的高温消解，多参数水质分析仪（DR3900，哈希）用于高温消解液COD 数值的直读；气相色谱仪（GC-2010 Pro，岛津）用于发酵液样品中的VFAs 浓度的测定。

3.4 数据采集与处理

保持反应器密闭，从反应器底部放出一定量的发酵液，测定其pH 值；分别取5 g 左右的发酵液及餐厨垃圾浆液用于TS、VS 的测定；另取一定量发酵液通过离心、过膜（0.45 μm）得到澄清液体，稀释后用于SCOD、VFAs 的测定。在此过程中，既让学生回顾了基本的移液管操作技能，也设置了移液枪使用，将先进的仪器耗材带进本科生课堂；OLR 根据餐厨垃圾VS 数据、日投料量以及工作体积计算；池容产气率通过每天收集的沼气体积除以工作体积计算得出。

3.5 课堂总结与答疑

课程最后，授课教师对本次实验课的教学内容进行梳理与总结，点评学生的操作技能，检查学生的原始数据记录情况，讲解实验报告撰写要点及规范，并对本次实验教学内容、课后思考题、报告撰写等进行答疑。

通过课后问卷调查，学生对“厌氧消化实验”课程教学进行了信息反馈，90%的学生表示，《资源循环专业实验指导书》内容丰富，所涉及的知识面广，契合资源循环科学与工程专业特点，“厌氧消化实验”等实验课程实用性强，能很好地激发本科生对专业技能的学习兴趣。10%的学生表示课程部分实操内容动手机会少，仪器配比需要增强，同时也期望课程结合资源循环科学与工程毕业生主流的就业领域开展与时俱进的实验教学。由此可见，专业实验教学内容的科学设置与创新性改革对提高学生的学习兴趣、提升实践教学效果及专业人才素养起着非常重要的作用。

4 结束语

“资源循环专业实验”作为资源循环科学与工程专业人才培养中一门重要的实践类课程，其开展具有重要意义。在厌氧反消化实验中，学生通过对反应器的操作运行、样品采集与预处理、分析仪器使用以及数据处理等，认识并掌握厌氧消化这一资源循环利用技术，培养学生开展科学研究的基本思路，提高综合运用知识的实践能力，达到提升专业素养及创新水平的目的。