金　焰，汪　志，張　莉*，武建芳

1.黃石市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，湖北 黃石 435000；2.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

三氯甲烷廢水處理中試裝置的仿真軟件設(shè)計

金焰1，汪志2，張莉2*，武建芳2

1.黃石市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，湖北 黃石 435000；
2.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

針對三氯甲烷廢水處理中試裝置，應(yīng)用C++集成環(huán)境（Qt 5.2.1）對其進(jìn)行仿真計算軟件開發(fā)設(shè)計.從圖形界面和邏輯代碼兩個方面，研究了裝置中主要設(shè)備、操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、處理效率等模塊的關(guān)聯(lián)性；并將所開發(fā)的仿真計算軟件在三氯甲烷廢水處理實驗中進(jìn)行了應(yīng)用.結(jié)果表明：所開發(fā)的三氯甲烷廢水處理軟件計算準(zhǔn)確，計算偏差在0.005 mg/L以下；所開發(fā)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(jìn)行設(shè)備操作參數(shù)的選擇和輸入，并能靈活地運用文本框進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整.

三氯甲烷廢水；中試裝置；C++集成環(huán)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(yè)及化工企業(yè)（如農(nóng)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(zhì)［2］，嚴(yán)重威脅到人類健康，被各國列為優(yōu)先控制的污染物.

氯代烴廢水其易揮發(fā)性、難降解性以及危害性［3］，使得國內(nèi)外學(xué)者對環(huán)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(xué)法（化學(xué)氧化、化學(xué)還原）、物理法（氣提、吸附、萃取等）和生物法（好氧降解、厭氧轉(zhuǎn)化、共代謝）.

本文根據(jù)吳鵬［8］的小試基礎(chǔ)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(jìn)行處理與研究.針對中試裝置開發(fā)設(shè)計了仿真軟件，分析了各單元的處理流程，將軟件計算結(jié)果與實驗測定結(jié)果進(jìn)行對比，計算偏差在0.005 mg/L以下，說明仿真軟件計算的準(zhǔn)確性高.將實驗裝置及其仿真計算軟件成功地應(yīng)用于三氯甲烷廢水的處理中，將為國內(nèi)三氯甲烷廢水的處理提供中試參考的依據(jù).

2　中試裝置工藝流程

中試裝置采用“萃取-生物”一體化協(xié)同凈化的處理工藝，主體包括立式撞擊流反應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)在于萃取工段，對應(yīng)于裝置中的立式撞擊流反應(yīng)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(xù)流體相向流動撞擊的流動結(jié)構(gòu).兩股高速兩相流撞擊結(jié)果，形成了一個高度湍動、顆粒度最高的撞擊區(qū)，為強化熱、質(zhì)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(jìn)入立式撞擊流反應(yīng)器，進(jìn)一步混合萃?。惠腿『蟮幕旌舷噙M(jìn)入油水分離裝置進(jìn)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(jìn)入萃取劑再生分離裝置，進(jìn)行加熱處理，使得其中的含氯有機物從萃取劑中蒸發(fā)出來，達(dá)到萃取劑回收的目的；蒸發(fā)出的含氯有機物，經(jīng)過冷凝裝置，進(jìn)行收集，避免其進(jìn)入大氣環(huán)境中；從油水分離器中分離出的水相，其中的甲烷氯化物經(jīng)萃取后質(zhì)量濃度降到生物耐受范圍之內(nèi)，因此后續(xù)廢水可采用生物法，在生化處理裝置中進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(shè)計

根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸、處理效率等試驗參數(shù)，應(yīng)用C++集成開發(fā)環(huán)境（Qt 5.2.1），開發(fā)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(jìn)行設(shè)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(jìn)行，各單元模塊之間互相獨立，可以分開設(shè)計，各單元模塊的設(shè)計也沒有嚴(yán)格的先后順序.各個單元模塊都設(shè)計好之后，將它們進(jìn)行組合，從而完成整套裝置的仿真設(shè)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(gòu)造上，應(yīng)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(yīng)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(jìn)行編碼工作，分別編譯，最后再將各編譯結(jié)果合在一處進(jìn)行鏈接就可生成可以執(zhí)行的EXE文件.

圖2為中試裝置仿真軟件的結(jié)構(gòu)圖.

圖2　中試裝置仿真軟件結(jié)構(gòu)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(jié)果輸出界面.用戶輸入界面接受使用者設(shè)定的參數(shù)，并將其傳遞給邏輯模塊進(jìn)行運算；結(jié)果輸出界面從邏輯模塊接受運算結(jié)果，并將其以圖形化的方式展現(xiàn).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(shè)計采用C++集成開發(fā)環(huán)境（Qt 5.2.1）設(shè)計.Qt可以方便地設(shè)計出windows風(fēng)格的圖形界面，可以很容易地設(shè)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(yīng)鼠標(biāo)操作和鍵盤輸入，達(dá)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(tài)圖片.

4　中試裝置仿真軟件的應(yīng)用

按照上述軟件的邏輯結(jié)構(gòu)將中試裝置仿真軟件分模塊進(jìn)行設(shè)計，所設(shè)計軟件包含的單元有：立式撞擊流反應(yīng)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(shè)計完成的仿真軟件應(yīng)用于中試裝置.下面針對中試裝置仿真軟件中的3個關(guān)鍵單元分別進(jìn)行介紹，并將仿真軟件的計算結(jié)果與中試實驗檢測結(jié)果進(jìn)行對比，以檢驗仿真軟件計算的準(zhǔn)確性.

4.1撞擊流反應(yīng)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(jìn)入立式撞擊流反應(yīng)器，進(jìn)行混合萃取.

圖3是裝置中的立式撞擊流反應(yīng)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(yīng)器的仿真計算效果圖.

圖3　立式撞擊流反應(yīng)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(yīng)器）Fig.4　Screenshot of simulation software（vertical impinging stream reactor）

4.2萃取再生分離

經(jīng)過油水分離裝置分離出的油相萃取劑，進(jìn)入萃取劑再生分離裝置，進(jìn)行加熱處理，使得其中的含氯有機物從萃取劑中蒸發(fā)出來，達(dá)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(jīng)萃取后質(zhì)量濃度降到生物耐受范圍之內(nèi)，因此后續(xù)廢水可采用生物法，在生化處理裝置中進(jìn)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(jìn)水濃度下的裝置出水CHCl3質(zhì)量濃度對比表.可以看出，軟件計算的出水CHCl3質(zhì)量濃度與實際檢測的CHCl3質(zhì)量濃度基本一致，計算偏差在0.005 mg/L以下，所開發(fā)的仿真軟件的計算準(zhǔn)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(yīng)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(zhì)量濃度對比Tab.1　Comparison of CHCl3mass concentration of effluent at different dosages of extractant

表2　不同進(jìn)水濃度下的出水CHCl3質(zhì)量濃度對比Tab.2　Comparison of CHCl3mass concentration in effluent at different mass concentrations of influent

5　結(jié)　語

綜上所述，經(jīng)過該“萃取-生物”一體化協(xié)同凈化裝置的處理，出水中三氯甲烷的質(zhì)量濃度可低至0.05 mg/L，達(dá)到了《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）中一級標(biāo)準(zhǔn)0.3 mg/L的要求［10］；通過將軟件計算結(jié)果與實驗測定結(jié)果進(jìn)行對比，計算偏差在0.005 mg/L以下，表明軟件計算結(jié)果的準(zhǔn)確性高.所開發(fā)的仿真軟件在界面操作方便，通過下拉菜單進(jìn)行參數(shù)選擇和輸入，可靈活地運用文本框進(jìn)行設(shè)備、操作參數(shù)的調(diào)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(jié)果，以及所設(shè)計的仿真軟件在中試試驗中的應(yīng)用，將為國內(nèi)三氯甲烷廢水處理提供中試參考依據(jù).

致謝

感謝武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)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(chǔ)研究，對我們后續(xù)工作具有啟發(fā)意義；感謝賀超對軟件開發(fā)提供的技術(shù)支持！

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［9］ 龔靜，李娟芳.C++語言程序設(shè)計［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

［10］國家環(huán)境保護(hù)局.污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 8978-1996［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)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