磷酸廢水處理工藝仿真軟件的設計與應用

李盟盟，張 莉*，杜險峰，金 焰

1.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430205；2.黃石市環境保護監測站，湖北 黃石4 35000

磷酸生產廢水來源于磷礦石制酸過程，該過程中產生的工業廢水有著復雜的成分［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［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單元均產生大量廢水，目前，國內外常用的處理磷酸廢水方法有絮凝沉淀法、石灰中和法、電化學法以及吸附法等［7-8］。絮凝沉淀常采用無機絮凝劑，需控制其反應條件以達到良好效果［9-11］；石灰中和法應用較廣，但是產生的污泥量較大［12-13］；電化學法投資成本高［14］。

仿真軟件是圖形化的建模方法，將實驗數據與工程實踐聯合，通過程序設計，自動將數據進行分析并顯示，廣泛應用于電力、航空、化工等領域［15-16］。

本文針對磷酸生產廢水，采用“白泥漿中和-絮凝-改性粉煤灰吸附”的改進處理工藝，結合進出水濃度、各個單元運行參數、去除效率影響因子等開發出可視化的仿真計算軟件，可以準確計算每個處理單元的氟、磷去除率，計算結果和實驗數據基本一致，為企業提供快捷的監測數據，具有可行性及應用性。

1 磷酸廢水處理工藝流程

改進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；第三步廢水經過中和、絮凝后，投加改性粉煤灰，對廢水進行吸附處理，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，廢水可達標排放。

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

2 仿真軟件設計

根據實驗數據，例如磷酸廢水的進出濃度，處理過程中操作單元的技術參數，每個單元中氟和總磷的去除率，并應用Microsoft Visual Studio 2015軟件（MVS）。設計出了一款可以直觀查看去除效率的模擬計算軟件，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，包括源數據輸入界面和運算結果輸出界面。在源數據輸入界面，用戶可以輸入一組設定的數據，計算機自動將用戶輸入的信息傳遞給邏輯板塊進行運算；邏輯板塊接受計算結果后，以圖形化的方式將其呈現在結果輸出界面上。磷酸廢水處理工藝仿真設計軟件包括：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構Fig.2 Simulation software structure for treatment process of phosphoric acid wastewater

圖形界面的設計是基于MVS 運行的。包括窗口、按鈕、下拉框、對話框、文本框等windows 風格的圖形元素，使用者可以通過鼠標配合鍵盤手動輸入參數，簡單便捷，且圖形界面視覺效果清晰直觀。

2.2 邏輯部分

邏輯部分的設計主要是分成單元模塊而進行的［17］，所謂的單元模塊，即將數據和對該數據進行合法操作的函數封裝在一起，作為一個類，完整封裝好的類可以作為一個單元模塊使用。在設計過程中，單個的將這些模塊進行設計，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，各單元模塊的設計可以沒有特定的先后區分，且可以由不同的人進行編譯，編譯成功后，將其編譯結果進行鏈接，便可生成執行文件。

3 磷酸廢水處理工藝仿真軟件的應用與實現

根據軟件的邏輯結構設計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，該部分單元仿真計算軟件的功能是選擇最佳處理條件參數，對改進前后氟、總磷去除效果進行對比；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，進而探究對氟、總磷吸附效果的影響；對于球磨機單元，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，從而計算對氟、總磷的去除效率。對于取樣口單元，主要作用是計算經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、球磨機單元及取樣口分別進行展示，并將仿真軟件計算的氟、總磷出水濃度和實驗所得數據進行對比，查看兩者誤差，驗證仿真軟件計算結果是否準確。

3.1 中和池單元

對中和池長、寬、高、廢水流量等參數進行多元選項設計，磷酸廢水經過調節池進入中和池，改進前采用電石渣中和，改進后用經過球磨打漿的白泥進行中和處理，計算改進前后出水中氟和磷的濃度（如圖3 所示），并準確計算氟磷經過中和池的去除率。

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中，按照設定好的時間和轉速進行球磨。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參數對中和沉淀效果的影響，進而計算不同反應參數下氟和磷的出水濃度及去除率，如圖4 所示。

3.3 球磨機單元

球磨機是物料被破碎之后，再進行粉碎的關鍵設備，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，從而反應更充分，效果更好。

軟件主要探究球磨轉速及球磨時間對打漿效果的影響，進而計算出最佳球磨粒徑，達到較好的打漿效果，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

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

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

4 結果及其與軟件設計對比

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，在實驗室進行多次實驗，數次仿真軟件計算，最后將穩定的數據選取一組作為代表，將軟件設計計算結果和實驗結果進行比對，軟件設計結果截圖見圖3、圖7、圖8。兩者對比分析見表1。

達到國家《磷肥工業水污染物排放標準》（GB15580-2011）的要求。驗證了所設計的仿真軟件的準確度可信，且可應用于實際企業。

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、總磷出水濃度進行對比，其實驗結果與軟件計算值誤差范均低于0.8 mg/L，分析其原因可能存在實驗過程中操作誤差，驗證了所設計的仿真軟件的準確度可信，且可應用于實際企業。

5 結 論

綜上所述，“白泥漿中和-絮凝-改性粉煤灰吸附”處理磷酸生產廢水工藝，處理后的含氟含磷廢水能夠達到國家《磷肥工業水污染物排放標準》（GB15580-2011）排放標準［18］。所開發的仿真軟件，計算結果準確，與實驗結果基本一致；且開發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為磷肥行業提供了廢水處理工藝的參考，方便在線監測廢水中氟化物，總磷的去除率。因軟件在實驗基礎上設計，僅針對氟、磷兩種元素進行仿真計算，建議可根據需求增加或改變軟件元素的模擬計算，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軟件。