李盟盟，張 莉*，杜險(xiǎn)峰，金 焰

1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.黃石市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，湖北 黃石4 35000

磷酸生產(chǎn)廢水來源于磷礦石制酸過程，該過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水有著復(fù)雜的成分［1-2］，包括高濃度的氟、磷以及硫酸根離子及微量重金屬等等有害物質(zhì)［3-4］，該廢水的pH 值較低，且味道難聞，對人體、動植物、土壤均會造成一定的危害。湖北省擁有豐富的磷礦資源，累計(jì)探明儲量為63.4 億噸［5-6］，是位居全國第一的磷肥大省。磷礦石制酸過程中每個生產(chǎn)單元均產(chǎn)生大量廢水，目前，國內(nèi)外常用的處理磷酸廢水方法有絮凝沉淀法、石灰中和法、電化學(xué)法以及吸附法等［7-8］。絮凝沉淀常采用無機(jī)絮凝劑，需控制其反應(yīng)條件以達(dá)到良好效果［9-11］；石灰中和法應(yīng)用較廣，但是產(chǎn)生的污泥量較大［12-13］；電化學(xué)法投資成本高［14］。

仿真軟件是圖形化的建模方法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工程實(shí)踐聯(lián)合，通過程序設(shè)計(jì)，自動將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并顯示，廣泛應(yīng)用于電力、航空、化工等領(lǐng)域［15-16］。

本文針對磷酸生產(chǎn)廢水，采用“白泥漿中和-絮凝-改性粉煤灰吸附”的改進(jìn)處理工藝，結(jié)合進(jìn)出水濃度、各個單元運(yùn)行參數(shù)、去除效率影響因子等開發(fā)出可視化的仿真計(jì)算軟件，可以準(zhǔn)確計(jì)算每個處理單元的氟、磷去除率，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，為企業(yè)提供快捷的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有可行性及應(yīng)用性。

1 磷酸廢水處理工藝流程

改進(jìn)后的磷酸廢水處理流程工藝圖如圖1 所示。整個工藝流程主要分為3 步進(jìn)行，第一步將白泥漿投入中和池，白泥漿采用球磨打漿法制得，主要研究白泥漿的顆粒大小、白泥用量和反應(yīng)時長對中和沉淀效果的影響；第二步向絮凝池中先后投加聚氯化鋁（poly aluminum chloride，PAC）和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）溶液，并進(jìn)行攪拌，探究PAC 和PAM 投加量對氟和總磷去除率的影響；第三步廢水經(jīng)過中和、絮凝后，投加改性粉煤灰，對廢水進(jìn)行吸附處理，探究在浸漬比以及改性劑濃度對吸附效率的影響。通過這3 步的處理，廢水可達(dá)標(biāo)排放。

圖1 磷酸廢水處理工藝Fig.1 Treatment process of phosphoric acid wastewater

2 仿真軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如磷酸廢水的進(jìn)出濃度，處理過程中操作單元的技術(shù)參數(shù)，每個單元中氟和總磷的去除率，并應(yīng)用Microsoft Visual Studio 2015軟件（MVS）。設(shè)計(jì)出了一款可以直觀查看去除效率的模擬計(jì)算軟件，該軟件由圖形界面和邏輯代碼組成。

2.1 圖形界面

其中，圖形界面分為兩部分，包括源數(shù)據(jù)輸入界面和運(yùn)算結(jié)果輸出界面。在源數(shù)據(jù)輸入界面，用戶可以輸入一組設(shè)定的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)自動將用戶輸入的信息傳遞給邏輯板塊進(jìn)行運(yùn)算；邏輯板塊接受計(jì)算結(jié)果后，以圖形化的方式將其呈現(xiàn)在結(jié)果輸出界面上。磷酸廢水處理工藝仿真設(shè)計(jì)軟件包括：主界面和子窗體界面，如圖2 所示。

圖2 磷酸廢水處理工藝仿真軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Simulation software structure for treatment process of phosphoric acid wastewater

圖形界面的設(shè)計(jì)是基于MVS 運(yùn)行的。包括窗口、按鈕、下拉框、對話框、文本框等windows 風(fēng)格的圖形元素，使用者可以通過鼠標(biāo)配合鍵盤手動輸入?yún)?shù)，簡單便捷，且圖形界面視覺效果清晰直觀。

2.2 邏輯部分

邏輯部分的設(shè)計(jì)主要是分成單元模塊而進(jìn)行的［17］，所謂的單元模塊，即將數(shù)據(jù)和對該數(shù)據(jù)進(jìn)行合法操作的函數(shù)封裝在一起，作為一個類，完整封裝好的類可以作為一個單元模塊使用。在設(shè)計(jì)過程中，單個的將這些模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個單元模塊被分為2～4 個子模塊，子模塊由一組輸入和一組輸出組成，各單元模塊的設(shè)計(jì)可以沒有特定的先后區(qū)分，且可以由不同的人進(jìn)行編譯，編譯成功后，將其編譯結(jié)果進(jìn)行鏈接，便可生成執(zhí)行文件。

3 磷酸廢水處理工藝仿真軟件的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)軟件的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磷酸廢水處理工藝仿真軟件，按照工藝流程，依次包含4 個處理單元（中和池、絮凝池、沉淀池、吸附塔），3 個投加處理劑單元（白泥單元、PAM 和PAC 單元、改性粉煤灰單元），及球磨機(jī)單元、取樣口單元等。

廢水處理工藝流程中，中和池、絮凝池、沉淀池及吸附塔單元為其主要處理單元，該部分單元仿真計(jì)算軟件的功能是選擇最佳處理?xiàng)l件參數(shù)，對改進(jìn)前后氟、總磷去除效果進(jìn)行對比；白泥、改性粉煤灰及PAM 單元的主要作用是探究在不同影響因素下的最佳制備條件，進(jìn)而探究對氟、總磷吸附效果的影響；對于球磨機(jī)單元，該部分主要通過研究球磨打漿過程中主要影響因素，觀察對打漿效果的影響，從而計(jì)算對氟、總磷的去除效率。對于取樣口單元，主要作用是計(jì)算經(jīng)各個單元處理后的氟離子、總磷出水濃度。

本文選取處理工藝過程中的中和池單元、白泥單元、球磨機(jī)單元及取樣口分別進(jìn)行展示，并將仿真軟件計(jì)算的氟、總磷出水濃度和實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，查看兩者誤差，驗(yàn)證仿真軟件計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。

3.1 中和池單元

對中和池長、寬、高、廢水流量等參數(shù)進(jìn)行多元選項(xiàng)設(shè)計(jì)，磷酸廢水經(jīng)過調(diào)節(jié)池進(jìn)入中和池，改進(jìn)前采用電石渣中和，改進(jìn)后用經(jīng)過球磨打漿的白泥進(jìn)行中和處理，計(jì)算改進(jìn)前后出水中氟和磷的濃度（如圖3 所示），并準(zhǔn)確計(jì)算氟磷經(jīng)過中和池的去除率。

圖3 中和池單元軟件截圖Fig.3 Software screenshot of neutralization pool unit

3.2 白泥單元

以白泥為原料，采用球磨打漿法制得白泥漿。首先將原料白泥、一定數(shù)量的磨球和水放在球磨罐中，配制成漿料。然后將球磨罐固定在球磨機(jī)中，按照設(shè)定好的時間和轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨。一定時間后，球磨完成，制得白泥漿。

軟件主要探究制取白泥過程中不同反應(yīng)參數(shù)對中和沉淀效果的影響，進(jìn)而計(jì)算不同反應(yīng)參數(shù)下氟和磷的出水濃度及去除率，如圖4 所示。

3.3 球磨機(jī)單元

球磨機(jī)是物料被破碎之后，再進(jìn)行粉碎的關(guān)鍵設(shè)備，和普通打漿相比，球磨打漿之后料漿粒徑更小，比表面積更大，在相同條件下，能夠接觸更多得分子，從而反應(yīng)更充分，效果更好。

軟件主要探究球磨轉(zhuǎn)速及球磨時間對打漿效果的影響，進(jìn)而計(jì)算出最佳球磨粒徑，達(dá)到較好的打漿效果，如圖5 所示。

圖4 白泥單元軟件截圖Fig.4 Software screenshot of white mud unit

圖5 球磨機(jī)單元軟件截圖Fig.5 Software screenshot of ball mill unit

3.4 取樣口

將磷酸廢水經(jīng)過白泥中和-絮凝-改性粉煤灰吸附的工藝處理之后，準(zhǔn)確測量出水口的氟和磷的質(zhì)量濃度及去除率，檢驗(yàn)處理效果，如圖6 所示。

圖6 取樣口A 軟件截圖Fig.6 Software screenshot of sample port A

4 結(jié)果及其與軟件設(shè)計(jì)對比

本文選擇了磷酸廢水處理過程中3 個主要單元（中和池、絮凝池、吸附塔），針對這3 個單元處理后的廢水中氟、總磷出水濃度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)次仿真軟件計(jì)算，最后將穩(wěn)定的數(shù)據(jù)選取一組作為代表，將軟件設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，軟件設(shè)計(jì)結(jié)果截圖見圖3、圖7、圖8。兩者對比分析見表1。

達(dá)到國家《磷肥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB15580-2011）的要求。驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的仿真軟件的準(zhǔn)確度可信，且可應(yīng)用于實(shí)際企業(yè)。

圖7 絮凝池單元軟件截圖Fig.7 Software screenshot of flocculation cell

圖8 吸附塔單元軟件截圖Fig.8 Software screenshot of adsorption tower unit

由表1 可知，將3 個主要單元的氟離子、總磷出水濃度進(jìn)行對比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與軟件計(jì)算值誤差范均低于0.8 mg/L，分析其原因可能存在實(shí)驗(yàn)過程中操作誤差，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的仿真軟件的準(zhǔn)確度可信，且可應(yīng)用于實(shí)際企業(yè)。

5 結(jié) 論

綜上所述，“白泥漿中和-絮凝-改性粉煤灰吸附”處理磷酸生產(chǎn)廢水工藝，處理后的含氟含磷廢水能夠達(dá)到國家《磷肥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB15580-2011）排放標(biāo)準(zhǔn)［18］。所開發(fā)的仿真軟件，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致；且開發(fā)的仿真軟件操作方便，界面簡單易操作。本軟件基于磷酸廢水處理工藝的開發(fā)為磷肥行業(yè)提供了廢水處理工藝的參考，方便在線監(jiān)測廢水中氟化物，總磷的去除率。因軟件在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，僅針對氟、磷兩種元素進(jìn)行仿真計(jì)算，建議可根據(jù)需求增加或改變軟件元素的模擬計(jì)算，注重用戶使用感，完善仿真軟件的靈活性及按照需求更新改進(jìn)軟件。