基于實驗室廢物綜合利用的實驗教學體系研究

吳龍華　汪婷婷　吳士筠　徐文廣　樊光澤

摘 要：本文以武漢工商學院為例，針對高校實驗室廢物綜合利用問題，結(jié)合本校環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，對實驗教學體系進行研究和改革，從實驗教學管理和科研探索兩大方面著手，讓學生在實驗過程中，領(lǐng)會節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的理念及特點；通過以解決實驗室廢物處理問題為目標的科研探索，促使學生掌握各種專業(yè)技能，提高學生分析問題、解決問題的綜合能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：實驗室廢物 綜合利用 實驗教學 創(chuàng)新

隨著高校實驗室的規(guī)模和功能的不斷發(fā)展，其產(chǎn)生的廢棄物也越來越多，尤其是化學、環(huán)境和生物類的實驗室，會產(chǎn)生很多酸堿、重金屬、高濃度有機物或含有大量微生物的培養(yǎng)基等毒害大的廢液、廢棄物，其中絕大部分屬于危險廢物，對環(huán)境的危害極大，不能直接排放，需要委托具有相應(yīng)處理資質(zhì)的單位進行處理、處置，而這些廢棄的溶液、試劑的處理費用往往是購買費用的2～3倍[1]，因此每年各高校實驗室會花費一大筆資金用于這些實驗室廢物的處理，不僅造成巨大的資源浪費，還增加了末端治理的壓力。要解決這一問題，最有效的方法就是從源頭削減實驗室廢物的排放，對廢棄物的種類、特點進行分析研究，并結(jié)合高校自身的教學特點和需求，對其加以綜合利用，最大程度的實現(xiàn)節(jié)能減排。

武漢工商學院環(huán)境與生物工程學院實驗教學中心是湖北高校省級重點實驗教學示范中心，針對學院各專業(yè)實驗室產(chǎn)生的廢棄物特點和數(shù)量，以循環(huán)經(jīng)濟為理念，以資源的高效利用和循環(huán)利用為目標，以“減量化、再利用、資源化”為原則，結(jié)合我院環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，進一步探索實驗教學改革，合理地設(shè)計實驗教學環(huán)節(jié)及科學研究課題，將各實驗室產(chǎn)生的廢棄物進行綜合利用，既能大幅降低實驗室耗材的消耗，降低廢棄物的處理費用，達到節(jié)能減排的效果，又能通過科學的實驗教學體系，讓學生參與到此過程中，灌輸循環(huán)經(jīng)濟和清潔生產(chǎn)的理念，培養(yǎng)學生的動手能力，并逐步提高學生的獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，訓(xùn)練其運用理論知識去進行分析、設(shè)計和開發(fā)的實踐技能，培養(yǎng)出符合應(yīng)用型工程教育理念的要求和適應(yīng)社會發(fā)展的新型人才[2]。

近幾年，我院環(huán)境與生物工程教學實驗教學中心針對實驗室廢物綜合利用問題，進行了大量的研究，通過不斷探索實踐，開發(fā)新的實驗項目，調(diào)整實驗教學及實驗室管理模式，取得了一些成效，本文將以武漢工商學院為例，闡述基于實驗室廢物綜合利用的實驗教學體系研究的主要內(nèi)容，即從實驗教學管理和科研探索兩大方面著手，讓學生在實驗過程中，領(lǐng)會節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的理念及特點，并通過以解決實際問題為目標的科研探索，掌握各種專業(yè)技能，提高學生分析問題、解決問題的綜合能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

一、實驗教學管理

1.從源頭上減少污染物的產(chǎn)生

（1）合理安排實驗項目，減少使用毒性大的物質(zhì)

對現(xiàn)已開設(shè)的實驗項目進行原料、樣品等方面的分析，對于已使用的毒性較大的物質(zhì)，通過查閱資料，尋找合適的替代物質(zhì)，以盡量減少有毒有害物質(zhì)的使用；

（2）探索小型及微型實驗，減少試劑的用量

對于已使用的用量較大的物質(zhì)，分析其實驗特點，通過縮小實驗的規(guī)模、控制好實驗條件、選擇合適的實驗方法等途徑，減少實驗原材料的消耗，從而達到減少污染物的排放的目的。如我院測定水中COD的測定實驗，由采用原來的水質(zhì) 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法改變?yōu)樗|(zhì) 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法，減少了試驗中相應(yīng)試劑的使用量，同時縮短了實驗時間。

（3） 建立虛擬仿真實驗教學平臺

虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作條件下，在高成本、高消耗、大型實驗或綜合訓(xùn)練等情況時，可以利用虛擬仿真技術(shù)改變實驗系統(tǒng)的構(gòu)建模式，提升實驗儀器的整體性能，突破實驗操作的時空限制，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[3]。針對環(huán)境與生物工程等專業(yè)實驗教學與實訓(xùn)實習“高污染、高能耗、高風險、高投入”的特點，我校和北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司合作，在湖北省重點實驗教學示范中心基礎(chǔ)上建立了環(huán)境與生物工程虛擬仿真實驗教學中心，構(gòu)建了適合專業(yè)特點的虛擬仿真實驗教學平臺，開設(shè)了70余項虛擬仿真實驗項目，涵蓋了基礎(chǔ)化學實驗、環(huán)境工程、生物工程和生物制藥專業(yè)相關(guān)實驗項目。在全面提高學生實踐和思維能力的同時，也實現(xiàn)了從源頭上減少污染物排放的宗旨。

2.實驗室廢物綜合利用與實驗教學的有機結(jié)合

將實驗室廢棄物的處理、綜合利用與實驗教學結(jié)合起來，使各個實驗室的廢棄物從產(chǎn)生、收集、設(shè)計綜合利用方案、實施具體方案貫穿于整個實驗教學體系中，讓學生在學習實驗技能的同時，也解決了實驗室廢物的處理問題。根據(jù)細化各廢棄物的回收綜合利用方案和工藝，將其與實驗教學巧妙結(jié)合，開發(fā)新的實驗項目，調(diào)整、設(shè)計合理的實驗課程教學體系，同時兼顧了實驗教學效果和實驗室廢物的綜合利用。

實驗教學過程中產(chǎn)生的廢棄物經(jīng)分類、分質(zhì)收集后，具有純度不夠高和濃度不準確的特點，只能回用于對濃度和純度要求不高的實驗項目，比如定性實驗、培養(yǎng)活性污泥、配制工業(yè)廢水等。因此制定回收利用的方案，需要統(tǒng)計出各實驗項目中所需的對純度和濃度要求不高的試劑、樣品名稱和用量，與收集的廢棄物進行對照，將這些廢棄溶液、試劑等替代原有的實驗試劑、樣品等，達到廢物回收的目的。

以武漢工商學院為例，以下是幾類最常產(chǎn)生的廢棄物的綜合利用方案：

（1）酸堿廢液

酸和堿是各類實驗室常用的兩種物質(zhì)，最常用的為鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、氨水等，將實驗過程中產(chǎn)生的廢液按照種類、濃度的不同分開收集、暫存，濃度大于1mol/L的鹽酸溶液可用于《環(huán)境工程綜合實驗》課程中的《酸性廢水中和過濾實驗》的模擬廢水的配制；濃度大于0.1mol/L的鹽酸和氫氧化鈉溶液，可以用于《無機及分析化學實驗》課程中的《滴定分析操作練習》實驗，其他各濃度的酸堿廢液，可用于活性污泥培養(yǎng)、工業(yè)廢水等pH值的調(diào)節(jié)、定性實驗等。endprint

（2）強氧化劑

高錳酸鉀、重鉻酸鉀、過氧化氫等強氧化劑也是各類實驗室常用的幾種物質(zhì)，濃度大于0.1mol/L高錳酸鉀溶液可以用于《無機定性實驗》，也可作為氧化劑用于處理還原性的廢水，用于《環(huán)境工程綜合實驗》或《生物廢水處理工程技術(shù)》等實驗課程；廢棄的重鉻酸鉀固體，因其含有少量雜質(zhì)不能作為標準樣品使用，可以用來配制鉻酸洗液，同樣也可以作為氧化劑用于處理還原性廢水；過氧化氫與亞鐵離子可形成氧化性很強的Fenton試劑，用于《Fenton試劑處理染料廢水實驗》和《生物廢水處理工程技術(shù)》實驗課程中高級氧化方向的課題研究。

（3）各類重金屬廢液

重金屬是毒性較大的一類物質(zhì)，因此在《環(huán)境監(jiān)測實驗》、《環(huán)境工程綜合實驗》和各類技術(shù)課、科研活動中都會針對重金屬廢水進行測定、降解、去除的各種實驗，因此，將部分實驗產(chǎn)生的重金屬廢液，作為其他實驗項目或科研活動中的廢水，不但可以減少重金屬廢液的排放量，而且由于其中含有少量的雜質(zhì)，更接近真實的工業(yè)廢水，如何排除測定、降解過程中雜質(zhì)的干擾作用，對學生和教師的能力也是一種挑戰(zhàn)和考驗，在減排的同時，也提高了學生處理實際問題的能力，達到了提升教學效果的作用。部分鐵鹽、鋁鹽廢液可用于《環(huán)境工程綜合實驗》實驗課程的《絮凝沉降實驗》中作為絮凝劑使用。

實驗室常用的鉻酸洗液，失效后變綠，可濃縮冷卻后用高錳酸鉀粉末氧化，直至溶液呈深褐色或微紫色后用砂芯漏斗濾去 Mn O2沉淀后再用。

（4）各類有機廢液

各種有機廢液也是實驗室經(jīng)常產(chǎn)生的一類廢棄物，除了作為有機溶劑處理樣品、進行定性實驗外，有機廢液還可以用來配制模擬廢水，如《水中COD的測定實驗》，可以用廢棄的甲醇來配制，《生物廢水處理工程技術(shù)》中，可用各種有機廢液配制為不同類型的工業(yè)廢水，讓學生自行查閱資料，用不同的處理方法進行降解，完成實驗。

（5）生物廢棄物

實驗室產(chǎn)生的生物類廢棄物主要有培養(yǎng)基、培養(yǎng)液等，其特點是含有豐富的微生物和營養(yǎng)物質(zhì)，而環(huán)境工程的專業(yè)實驗經(jīng)常會用到生物法處理廢水，需要大量培養(yǎng)活性污泥，這些富含微生物和營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基、培養(yǎng)液正好可以用上。但廢棄培養(yǎng)基的收集過程中，也要注意分類、分質(zhì)，培養(yǎng)活性污泥時，也要根據(jù)活性污泥的狀態(tài)，根據(jù)所需C、N、P的比例來投加營養(yǎng)物質(zhì)，以免出現(xiàn)活性污泥性狀改變，不合實驗要求。處理微生物實驗廢水常用的方法是熱力消毒滅菌和化學藥劑消毒滅菌。熱力消毒滅菌法是通過高溫加熱使廢水溫度達到或超過某些有害微生物存活溫度的最高極限，殺死細菌，以確保排出廢水的安全[4]。

3.加強實驗室廢物的回收和管理

實驗教學是產(chǎn)生實驗室廢物的最主要環(huán)節(jié)，因此重點要加強實驗教學過程中的管理，實驗指導(dǎo)教師應(yīng)將試劑的節(jié)約、廢物的回收、存放作為實驗教學的重要組成部分，讓學生在實驗過程中不僅僅只是學習實驗操作和技能，還要重視實驗材料和廢物的全過程管理，領(lǐng)會節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的理念及特點，并付諸于實踐。實驗課后，實驗室管理人員應(yīng)進一步對實驗室廢物進行分類管理，分別貼好標簽，注明廢物產(chǎn)生的日期、種類、性質(zhì)及所含成分，以便日后進行綜合利用。將實驗室廢物混合存放時，應(yīng)考慮兼容性，以免產(chǎn)生激烈反應(yīng)、火災(zāi)或爆炸、中毒等事故。

二、科研探索

1.設(shè)計循環(huán)實驗項目

循環(huán)實驗是指 2個或 2 個以上實驗串聯(lián)在一起，上一個實驗的產(chǎn)品將是下一個實驗的主要原料。例如，活性炭的制備實驗；制備好的活性炭可以用來吸附實驗室廢水中的重金屬或有機物的實驗；吸附了重金屬的活性炭可以進行重金屬解析實驗，進行重金屬回收，而吸附有機物的活性炭可以進行熱再生；解析或再生后的活性炭又可以再次利用到吸附廢水中的重金屬或有機物的實驗中，形成一個循環(huán)的實驗體系。這個實驗體系不僅可以處理部分實驗室廢水，同時也讓學生學到了活性炭處理廢水的整個工藝。

2.加大實驗室開放力度，鼓勵學生開展創(chuàng)新實驗

為了鼓勵學生大膽創(chuàng)新，武漢工商學院環(huán)境與生物實驗教學分中心實行了實驗室全天候的預(yù)約開放，同時，學校也設(shè)置了創(chuàng)新學分，只要學生的創(chuàng)新成果得到了學校認可，即可獲得該學分，這些舉措都大大提高了學生對科研探索的積極性，也激勵著學生在科研的道路上，克服困難，勇往直前。學生們利用自己的空余時間，自行查閱資料、選擇科研課題，到實驗室進行科研實驗探索，實驗過程中，根據(jù)需要對實驗室廢物進行綜合、循環(huán)利用[5]。學生也可以實驗室廢棄物綜合利用的方案設(shè)計作為科研小課題，自行設(shè)計方案，并進行實驗論證。

綜上所述，武漢工商學院環(huán)境與生物工程教學分中心基于實驗室廢物的綜合利用，通過多年的探索實踐，對環(huán)境工程專業(yè)實驗教學體系進行研究和改革，在實驗教學過程中強化實驗室管理，讓學生領(lǐng)會節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的理念及特點，促使學生掌握各種專業(yè)技能，提高學生分析問題、解決問題的綜合能力，取得了良好的教學效果，滿足我院“工程教育理念”的要求和適應(yīng)社會發(fā)展的新型人才的需求，同時不斷探索實驗室廢物最大程度的綜合利用方式，減少了實驗室污染物的產(chǎn)生及排放。

參考文獻

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[3] 銀玉容，朱能武，施召才等. 虛擬仿真實驗系統(tǒng)在給排水工程專業(yè)實驗教學中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2016，（1）：111-113.

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