三氯甲烷廢水處理中試裝置的仿真軟件設計

金　焰，汪　志，張　莉*，武建芳

1.黃石市環境保護監測站，湖北 黃石 435000；2.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430074

三氯甲烷廢水處理中試裝置的仿真軟件設計

金焰1，汪志2，張莉2*，武建芳2

1.黃石市環境保護監測站，湖北 黃石 435000；
2.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430074

針對三氯甲烷廢水處理中試裝置，應用C++集成環境（Qt 5.2.1）對其進行仿真計算軟件開發設計.從圖形界面和邏輯代碼兩個方面，研究了裝置中主要設備、操作參數、結構尺寸、處理效率等模塊的關聯性；并將所開發的仿真計算軟件在三氯甲烷廢水處理實驗中進行了應用.結果表明：所開發的三氯甲烷廢水處理軟件計算準確，計算偏差在0.005 mg/L以下；所開發的仿真軟件在界面操作方面具有簡明、方便的特點，可通過下拉菜單進行設備操作參數的選擇和輸入，并能靈活地運用文本框進行參數的調整.

三氯甲烷廢水；中試裝置；C++集成環境（Qt 5.2.1）；仿真軟件

1　引　言

三氯甲烷廢水的來源主要是機械制造、電子元件清洗、皮革和干洗行業及化工企業（如農藥、油漆）等［1］的廢水.三氯甲烷作為“三致”（致癌、致畸、致突變）物質［2］，嚴重威脅到人類健康，被各國列為優先控制的污染物.

氯代烴廢水其易揮發性、難降解性以及危害性［3］，使得國內外學者對環境中氯代有機污染的控制和治理開展了廣泛的研究.其治理方法大致可歸納為［4-7］：化學法（化學氧化、化學還原）、物理法（氣提、吸附、萃取等）和生物法（好氧降解、厭氧轉化、共代謝）.

本文根據吳鵬［8］的小試基礎研究，以三氯甲烷廢水為研究對象，采用“萃取+生物”組合裝置，對其進行處理與研究.針對中試裝置開發設計了仿真軟件，分析了各單元的處理流程，將軟件計算結果與實驗測定結果進行對比，計算偏差在0.005 mg/L以下，說明仿真軟件計算的準確性高.將實驗裝置及其仿真計算軟件成功地應用于三氯甲烷廢水的處理中，將為國內三氯甲烷廢水的處理提供中試參考的依據.

2　中試裝置工藝流程

中試裝置采用“萃取-生物”一體化協同凈化的處理工藝，主體包括立式撞擊流反應器、油水分離裝置、萃取劑再生分離裝置、冷凝裝置、生化處理裝置、各連接管路等，如圖1所示.

工藝中的關鍵技術在于萃取工段，對應于裝置中的立式撞擊流反應器.撞擊流是在過撞擊點平分線垂線正、反方向上具有一定動量通量的兩股包含或不包含分散相的連續流體相向流動撞擊的流動結構.兩股高速兩相流撞擊結果，形成了一個高度湍動、顆粒度最高的撞擊區，為強化熱、質傳遞提供了極好的條件.

通過管道射流器，向含氯代有機污染物廢水按比例投加萃取劑定制油，混合后的油水混合相進入立式撞擊流反應器，進一步混合萃取；萃取后的混合相進入油水分離裝置進行油水分離，水相（重相）從下部流出，油相（輕相）從上部流出；分離出的油相萃取劑，進入萃取劑再生分離裝置，進行加熱處理，使得其中的含氯有機物從萃取劑中蒸發出來，達到萃取劑回收的目的；蒸發出的含氯有機物，經過冷凝裝置，進行收集，避免其進入大氣環境中；從油水分離器中分離出的水相，其中的甲烷氯化物經萃取后質量濃度降到生物耐受范圍之內，因此后續廢水可采用生物法，在生化處理裝置中進行處理.

裝置中廢水走向：污水儲存罐→流量計→立式撞擊流反應器→油水分離裝置→生化處理裝置→出水

圖1　三氯甲烷廢水處理中試裝置工藝流程Fig.1　Technological process of the chloroform wastewater pilot-plant

裝置中萃取劑走向：萃取劑儲罐→流量計→立式撞擊流反應器→油水分離裝置→萃取劑再生分離裝置→萃取劑儲罐

3　中試裝置仿真軟件的設計

根據裝置結構尺寸、處理效率等試驗參數，應用C++集成開發環境（Qt 5.2.1），開發出了具有可視化界面的仿真計算軟件.軟件分為兩個部分進行設計，分別是邏輯部分和圖形界面.

3.1邏輯部分

邏輯部分可分模塊進行，各單元模塊之間互相獨立，可以分開設計，各單元模塊的設計也沒有嚴格的先后順序.各個單元模塊都設計好之后，將它們進行組合，從而完成整套裝置的仿真設計.每個單元模塊又分為2～3個分模塊，每個分模塊中都含有一組輸入和一組輸出.

在代碼的構造上，應用C++中的類的概念可以將各個單元劃分成為單獨的模塊，即一個模塊對應著代碼里的一個類［9］.C++里的類將代碼分隔成分離的部分，并且不同的類可以由不同的人分別進行編碼工作，分別編譯，最后再將各編譯結果合在一處進行鏈接就可生成可以執行的EXE文件.

圖2為中試裝置仿真軟件的結構圖.

圖2　中試裝置仿真軟件結構Fig.2　Structure of simulation software of the pilot-plant

3.2圖形界面

圖形界面分為用戶輸入界面和結果輸出界面.用戶輸入界面接受使用者設定的參數，并將其傳遞給邏輯模塊進行運算；結果輸出界面從邏輯模塊接受運算結果，并將其以圖形化的方式展現.中試裝置仿真計算軟件界面包括：主界面和子窗體界面.

圖形界面的設計采用C++集成開發環境（Qt 5.2.1）設計.Qt可以方便地設計出windows風格的圖形界面，可以很容易地設計出窗口、對話框、按鈕、下拉框、文本框等界面元素，并且能夠靈活地響應鼠標操作和鍵盤輸入，達到了界面友好、直觀、操作簡便的效果.為了展示各單元裝置的工作流程，各單元圖形界面中載入了單元裝置模擬運行的動態圖片.

4　中試裝置仿真軟件的應用

按照上述軟件的邏輯結構將中試裝置仿真軟件分模塊進行設計，所設計軟件包含的單元有：立式撞擊流反應器、油水分離裝置、萃取劑再生分離裝置、生化處理裝置等單元.

將設計完成的仿真軟件應用于中試裝置.下面針對中試裝置仿真軟件中的3個關鍵單元分別進行介紹，并將仿真軟件的計算結果與中試實驗檢測結果進行對比，以檢驗仿真軟件計算的準確性.

4.1撞擊流反應器

通過管道射流器，向含氯代有機污染物廢水按比例投加萃取劑定制油，混合后的油水混合相進入立式撞擊流反應器，進行混合萃取.

圖3是裝置中的立式撞擊流反應器的仿真計算程序中管道計算程序的流程圖；圖4為立式撞擊流反應器的仿真計算效果圖.

圖3　立式撞擊流反應器管道計算程序流程圖Fig.3　Pipeline calculation flowchart of vertical impinging stream reactor

圖4　仿真軟件計算截圖（立式撞擊流反應器）Fig.4　Screenshot of simulation software（vertical impinging stream reactor）

4.2萃取再生分離

經過油水分離裝置分離出的油相萃取劑，進入萃取劑再生分離裝置，進行加熱處理，使得其中的含氯有機物從萃取劑中蒸發出來，達到萃取劑回收的目的.圖5為裝置中的萃取劑再生分離裝置的仿真計算效果圖.

4.3生化處理裝置

從油水分離器中分離出的水相，其中的三氯甲烷經萃取后質量濃度降到生物耐受范圍之內，因此后續廢水可采用生物法，在生化處理裝置中進行處理.圖6為裝置中的生化處理裝置的仿真計算效果圖.

表1與表2分別是萃取劑的不同投加量、不同進水濃度下的裝置出水CHCl3質量濃度對比表.可以看出，軟件計算的出水CHCl3質量濃度與實際檢測的CHCl3質量濃度基本一致，計算偏差在0.005 mg/L以下，所開發的仿真軟件的計算準確性高.

圖5　仿真軟件計算截圖（萃取劑再生分離裝置）Fig.5　Screenshot of simulation software（extractant regeneration and separation unit）

圖6　仿真軟件計算截圖（生化反應器）Fig.6　Screenshot of simulation software（bio-reactor）

表1　不同萃取劑投加量下的出水CHCl3質量濃度對比Tab.1　Comparison of CHCl3mass concentration of effluent at different dosages of extractant

表2　不同進水濃度下的出水CHCl3質量濃度對比Tab.2　Comparison of CHCl3mass concentration in effluent at different mass concentrations of influent

5　結　語

綜上所述，經過該“萃取-生物”一體化協同凈化裝置的處理，出水中三氯甲烷的質量濃度可低至0.05 mg/L，達到了《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）中一級標準0.3 mg/L的要求［10］；通過將軟件計算結果與實驗測定結果進行對比，計算偏差在0.005 mg/L以下，表明軟件計算結果的準確性高.所開發的仿真軟件在界面操作方便，通過下拉菜單進行參數選擇和輸入，可靈活地運用文本框進行設備、操作參數的調整，具有美觀、簡明、方便的特點.本文中三氯甲烷廢水處理中試裝置的運行結果，以及所設計的仿真軟件在中試試驗中的應用，將為國內三氯甲烷廢水處理提供中試參考依據.

致謝

感謝武漢工程大學化學與環境工程學院水污染控制工程實驗室對此研究的支持；感謝吳鵬對本研究的小試基礎研究，對我們后續工作具有啟發意義；感謝賀超對軟件開發提供的技術支持！

［1］吳亦霄，喬建江.氯代烴污染控制方法研究進展［J］.焦作大學學報，2014，6（2）：87-90. WU Y X，QIAO J J.Progress of pollution control of chlorinated hydrocarbons［J］.Journal of Jiaozuo university，2014，6（2）：87-90.

［2］ 劉婷，劉鳴達，胡曉鈞，等.新型TCAS樹脂吸附水中三氯甲烷研究［J］.水處理技術，2010，4（4）：67-70. LIU T，LIU M D，HU X J，et al.Removal of aqueous chloroform by a novel TCAS-adsorbed resin［J］.Technology of water treatment，2010，4（4）：67-70.

［3］JAMES H.Quantifying environmental risk of groundwater contaminated with volatile chlorinated hydrocarbons ［R］.Australia：Sydney digital theses，2009.

［4］楊鳳林，全燮，薛大明，等.水中氯代有機化合物處理方法及研究進展［J］.環境科學進展，1996，4（6）：36-44. YANG F L，QUAN X，XUE D M，et al.Advance of disposal of chlorinated organic compounds in water［J］. Advances in environmental science，1996，4（6）：36-44.

［5］鄭毅.氯代烴污染地下水修復研究進展［J］.廣東化工，2012（10）：142-143.

ZHENG Y.The research progress of repair of underground water contaminated by chlorinated hydrocarbons ［J］.Guangdong chemical industry， 2012（10）：142-143.

［6］ 張峰.原位化學還原技術在氯代烴污染場地修復中的應用［J］.上海化工，2015，10（10）：16-18.

ZHANG F.Application of in-situ chemical reduction in remediation of chlorohydrocarbon contaminated site［J］. Shanghai chemical industry，2015，10（10）：16-18.

［7］劉云，蔣仲安，王燦.氯代有機物生物降解研究進展［J］.環境科學與技術，2008，2（31）：51-55. LIU Y，JIANG Z A，WANG C.Progress on biodegradation technology of chlorinated organics［J］.Environmental science&technology，2008，2（31）：51-55.

［8］ 吳鵬.氯代有機污染物的物化生化協同凈化作用及其機理的研究［D］.武漢：武漢工程大學，2013.

［9］ 龔靜，李娟芳.C++語言程序設計［M］.西安：西北工業大學出版社，2013.

［10］國家環境保護局.污水綜合排放標準：GB 8978-1996［S］.北京：中國環境科學出版社，1996.

本文編輯：陳小平

Exploration of Simulation Software Design of Pilot-Plant of Chloroform Wastewater Treatment

JIN Yan1，WANG Zhi2，ZHANG Li2*，WU Jianfang2

1.Environmental Monitoring Station in Huangshi，Huangshi 435000，China；
2.School of Chemistry and Environmental Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The simulation software of the pilot-plant of chloroform wastewater treatment was designed by using C++integration platform（Qt 5.2.1）.The relevance of the pilot-plant's modules such as main devices，operating parameters，structure size，and treatment efficiency was studied from aspects of graphic interface and logic codes.And the simulation software was applied in the pilot-plant experiment of chloroform wastewater treatment. The results show that the calculation results of the software is accurate，and the deviation is less than 0.005 mg/L. This simulation software is concise and convenient in interface operation，by which the parameters of the pilot-plant can be selected and input in the pull-down menu，and adjusted flexibly using the textbox of the interface.

chloroform wastewater；the pilot-plant；C++integration platform（Qt 5.2.1）；simulation software

張莉，碩士，教授.E-mail：dygzhangli@163.com

X703.3

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.04.018

1674-2869（2016）04-0410-05

2016-05-17

金焰，碩士，高級工程師.E-mail：2661352993@qq.com