磷酸废水处理工艺仿真软件的设计与应用

李盟盟，张 莉*，杜险峰，金 焰

1.武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430205；2.黄石市环境保护监测站，湖北 黄石4 35000

磷酸生产废水来源于磷矿石制酸过程，该过程中产生的工业废水有着复杂的成分［1-2］，包括高浓度的氟、磷以及硫酸根离子及微量重金属等等有害物质［3-4］，该废水的pH 值较低，且味道难闻，对人体、动植物、土壤均会造成一定的危害。湖北省拥有丰富的磷矿资源，累计探明储量为63.4 亿吨［5-6］，是位居全国第一的磷肥大省。磷矿石制酸过程中每个生产单元均产生大量废水，目前，国内外常用的处理磷酸废水方法有絮凝沉淀法、石灰中和法、电化学法以及吸附法等［7-8］。絮凝沉淀常采用无机絮凝剂，需控制其反应条件以达到良好效果［9-11］；石灰中和法应用较广，但是产生的污泥量较大［12-13］；电化学法投资成本高［14］。

仿真软件是图形化的建模方法，将实验数据与工程实践联合，通过程序设计，自动将数据进行分析并显示，广泛应用于电力、航空、化工等领域［15-16］。

本文针对磷酸生产废水，采用“白泥浆中和-絮凝-改性粉煤灰吸附”的改进处理工艺，结合进出水浓度、各个单元运行参数、去除效率影响因子等开发出可视化的仿真计算软件，可以准确计算每个处理单元的氟、磷去除率，计算结果和实验数据基本一致，为企业提供快捷的监测数据，具有可行性及应用性。

1 磷酸废水处理工艺流程

改进后的磷酸废水处理流程工艺图如图1 所示。整个工艺流程主要分为3 步进行，第一步将白泥浆投入中和池，白泥浆采用球磨打浆法制得，主要研究白泥浆的颗粒大小、白泥用量和反应时长对中和沉淀效果的影响；第二步向絮凝池中先后投加聚氯化铝（poly aluminum chloride，PAC）和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）溶液，并进行搅拌，探究PAC 和PAM 投加量对氟和总磷去除率的影响；第三步废水经过中和、絮凝后，投加改性粉煤灰，对废水进行吸附处理，探究在浸渍比以及改性剂浓度对吸附效率的影响。通过这3 步的处理，废水可达标排放。

图1 磷酸废水处理工艺Fig.1 Treatment process of phosphoric acid wastewater

2 仿真软件设计

根据实验数据，例如磷酸废水的进出浓度，处理过程中操作单元的技术参数，每个单元中氟和总磷的去除率，并应用Microsoft Visual Studio 2015软件（MVS）。设计出了一款可以直观查看去除效率的模拟计算软件，该软件由图形界面和逻辑代码组成。

2.1 图形界面

其中，图形界面分为两部分，包括源数据输入界面和运算结果输出界面。在源数据输入界面，用户可以输入一组设定的数据，计算机自动将用户输入的信息传递给逻辑板块进行运算；逻辑板块接受计算结果后，以图形化的方式将其呈现在结果输出界面上。磷酸废水处理工艺仿真设计软件包括：主界面和子窗体界面，如图2 所示。

图2 磷酸废水处理工艺仿真软件结构Fig.2 Simulation software structure for treatment process of phosphoric acid wastewater

图形界面的设计是基于MVS 运行的。包括窗口、按钮、下拉框、对话框、文本框等windows 风格的图形元素，使用者可以通过鼠标配合键盘手动输入参数，简单便捷，且图形界面视觉效果清晰直观。

2.2 逻辑部分

逻辑部分的设计主要是分成单元模块而进行的［17］，所谓的单元模块，即将数据和对该数据进行合法操作的函数封装在一起，作为一个类，完整封装好的类可以作为一个单元模块使用。在设计过程中，单个的将这些模块进行设计，每个单元模块被分为2～4 个子模块，子模块由一组输入和一组输出组成，各单元模块的设计可以没有特定的先后区分，且可以由不同的人进行编译，编译成功后，将其编译结果进行链接，便可生成执行文件。

3 磷酸废水处理工艺仿真软件的应用与实现

根据软件的逻辑结构设计磷酸废水处理工艺仿真软件，按照工艺流程，依次包含4 个处理单元（中和池、絮凝池、沉淀池、吸附塔），3 个投加处理剂单元（白泥单元、PAM 和PAC 单元、改性粉煤灰单元），及球磨机单元、取样口单元等。

废水处理工艺流程中，中和池、絮凝池、沉淀池及吸附塔单元为其主要处理单元，该部分单元仿真计算软件的功能是选择最佳处理条件参数，对改进前后氟、总磷去除效果进行对比；白泥、改性粉煤灰及PAM 单元的主要作用是探究在不同影响因素下的最佳制备条件，进而探究对氟、总磷吸附效果的影响；对于球磨机单元，该部分主要通过研究球磨打浆过程中主要影响因素，观察对打浆效果的影响，从而计算对氟、总磷的去除效率。对于取样口单元，主要作用是计算经各个单元处理后的氟离子、总磷出水浓度。

本文选取处理工艺过程中的中和池单元、白泥单元、球磨机单元及取样口分别进行展示，并将仿真软件计算的氟、总磷出水浓度和实验所得数据进行对比，查看两者误差，验证仿真软件计算结果是否准确。

3.1 中和池单元

对中和池长、宽、高、废水流量等参数进行多元选项设计，磷酸废水经过调节池进入中和池，改进前采用电石渣中和，改进后用经过球磨打浆的白泥进行中和处理，计算改进前后出水中氟和磷的浓度（如图3 所示），并准确计算氟磷经过中和池的去除率。

图3 中和池单元软件截图Fig.3 Software screenshot of neutralization pool unit

3.2 白泥单元

以白泥为原料，采用球磨打浆法制得白泥浆。首先将原料白泥、一定数量的磨球和水放在球磨罐中，配制成浆料。然后将球磨罐固定在球磨机中，按照设定好的时间和转速进行球磨。一定时间后，球磨完成，制得白泥浆。

软件主要探究制取白泥过程中不同反应参数对中和沉淀效果的影响，进而计算不同反应参数下氟和磷的出水浓度及去除率，如图4 所示。

3.3 球磨机单元

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备，和普通打浆相比，球磨打浆之后料浆粒径更小，比表面积更大，在相同条件下，能够接触更多得分子，从而反应更充分，效果更好。

软件主要探究球磨转速及球磨时间对打浆效果的影响，进而计算出最佳球磨粒径，达到较好的打浆效果，如图5 所示。

图4 白泥单元软件截图Fig.4 Software screenshot of white mud unit

图5 球磨机单元软件截图Fig.5 Software screenshot of ball mill unit

3.4 取样口

将磷酸废水经过白泥中和-絮凝-改性粉煤灰吸附的工艺处理之后，准确测量出水口的氟和磷的质量浓度及去除率，检验处理效果，如图6 所示。

图6 取样口A 软件截图Fig.6 Software screenshot of sample port A

4 结果及其与软件设计对比

本文选择了磷酸废水处理过程中3 个主要单元（中和池、絮凝池、吸附塔），针对这3 个单元处理后的废水中氟、总磷出水浓度，在实验室进行多次实验，数次仿真软件计算，最后将稳定的数据选取一组作为代表，将软件设计计算结果和实验结果进行比对，软件设计结果截图见图3、图7、图8。两者对比分析见表1。

达到国家《磷肥工业水污染物排放标准》（GB15580-2011）的要求。验证了所设计的仿真软件的准确度可信，且可应用于实际企业。

图7 絮凝池单元软件截图Fig.7 Software screenshot of flocculation cell

图8 吸附塔单元软件截图Fig.8 Software screenshot of adsorption tower unit

由表1 可知，将3 个主要单元的氟离子、总磷出水浓度进行对比，其实验结果与软件计算值误差范均低于0.8 mg/L，分析其原因可能存在实验过程中操作误差，验证了所设计的仿真软件的准确度可信，且可应用于实际企业。

5 结 论

综上所述，“白泥浆中和-絮凝-改性粉煤灰吸附”处理磷酸生产废水工艺，处理后的含氟含磷废水能够达到国家《磷肥工业水污染物排放标准》（GB15580-2011）排放标准［18］。所开发的仿真软件，计算结果准确，与实验结果基本一致；且开发的仿真软件操作方便，界面简单易操作。本软件基于磷酸废水处理工艺的开发为磷肥行业提供了废水处理工艺的参考，方便在线监测废水中氟化物，总磷的去除率。因软件在实验基础上设计，仅针对氟、磷两种元素进行仿真计算，建议可根据需求增加或改变软件元素的模拟计算，注重用户使用感，完善仿真软件的灵活性及按照需求更新改进软件。