電子芯片企業工業用水重復利用措施研究

沈偉強 上海市松江區供排水管理所

1 水平衡測試簡介

水平衡是以企業為考察對象的水量平衡，即企業各用水單元或系統的輸入水量之和應等于輸出水量之和。而水平衡測試是對用水單元和用水系統的水量進行系統的測試、統計、分析得出水量平衡關系的過程。針對一個企業而言，企業類型、生產工藝、用水性質及復雜程度各不相同，但平衡的原理是相同的，與其化學成分和物理狀態無關。

水平衡測試過程中水量測定方法包括水表計量法、容積法、流速法等，其中水表計量法為最常用的測定方法。企業在各用水部位根據管徑、流量及管道方向分別安裝口徑DN25～DN100的各式水表。本文中典型企業均采用水表計量法作為水量測定方法。

按照《企業水平衡測試通則》（GB/T 12452-2008）和《節水型企業評價導則》（GB/T 7119-2006），水平衡測試單位選取企業生產運行穩定、有代表性的時段進行測試，連續測試時間為72h，每24h記錄一次，共取4次測試數據；通過測試結果對企業用水情況進行匯總分析，主要評價指標包括間接冷卻水循環率、重復利用率、廢水回用率、非常規水資源替代率、達標排放率等。

2 行業用水特點

2.1 清洗用水量大

電子芯片生產工藝復雜，工藝步驟繁多，主要生產工序包括:硅片清洗、氧化/擴散、CVD沉積、光刻、去膠、刻蝕、離子注入、金屬化、CMP研磨、檢測等，并使用多種化學試劑和特殊氣體。

清洗、刻蝕、研磨等工序需要多次對產品和器皿等進行沖洗，沖洗后會產生大量有機廢水、無機廢水或研磨廢水等，排水量大，但水質情況不一，分類收集、處理利用的可行性高，典型電子芯片企業清洗廢水分類情況如表1所示。

表1 清洗廢水分類情況表

2.2 冷卻循環系統規模大

電子芯片生產需要恒溫恒濕的生產車間，部分主要生產設備、輔助生產設備（如空壓機等）等也需要冷卻降溫，企業多采用水冷式間接循環冷卻塔系統，這就導致了系統配備的冷卻塔和冷卻循環水泵數量多，循環系統規模龐大。通過對松江區多家電子芯片企業開展水平衡測試得到的統計結果如表2所示，多家企業的間接冷卻系統循環水量均在總用水量的90%以上，最高可達98%以上，冷卻循環系統規模大，系統補水率多在0.6%～1.0%之間，由此可見系統所需補水也是企業主要用水點之一。

表2 區域內典型電子芯片企業間接冷卻系統循環量

2.3 純水需求量大

電子芯片生產過程中所需沖洗水多采用純水或超純水，而其制備過程中又伴隨著大量濃排水和反沖洗水的產生，所需原水量大。松江區內典型電子芯片企業純水系統用水量情況如表3所示，其中除企業2、企業5兩家冷卻循環水量高于98%的企業外，其他3家企業純水用水量可達到企業總用水量的50%左右，而純水系統原水需水量也達到70%左右。

3 工業用水重復利用方法

3.1 生產廢水回用

電子芯片企業清洗廢水量大、易分類收集，經處理后可回用于純水系統、冷卻循環系統、洗滌塔等各方面，具有極大的節水效益。

水平衡測試期間，松江區內某圓晶生產企業總用水量為22288m3/d，經過歷年多次節水改造，主要通過超濾、反滲透等處理工藝，形成了一系列運行穩定的清洗廢水中水回收利用系統，各中水系統水源類別及回用方向、回用水量詳見表4。

由表4可知，該企業清洗廢水回用的節水量為8602m3/d，占企業總用水量的38.6%，節水效益顯著。

表4 某企業中水利用情況

3.2 濃水利用

電子芯片企業所采用的純水處理機組一般為二級RO機組，根據《上海市用水定額（補充）》中“純水設備二級RO制水率”通用值60%、先進值75%的定額要求可知，普遍情況下二級RO純水處理機組的濃水產水率在25%～40%之間。

分析區域內5家典型電子芯片企業的純水綜合制水率為65%～75%（見表3），均未達到先進值，在純水需水量居高之下，產生的濃水量也十分可觀。且一級RO濃水和二級RO濃水可分別收集，根據水質情況進行處理后回用。一級RO濃水雜質、含鹽量較高，水質相對較差，可經反滲透處理后回用至純水原水箱重新用于制備純水，或可用于砂炭反沖洗等；二級RO濃水電導率較低，基本無雜質，水質較好，回用范圍廣泛，可以直接回用至一級RO進水，或回用于冷卻塔補水、洗滌塔補水等，濃水利用示意如圖1所示。經分析發現，RO濃水回用量可達到機組總處理水量的10%以上，最高可達30%。

表3 區域內典型電子芯片企業純水系統用水量

圖1 濃水利用方向示意圖

3.3 砂濾、炭濾沖洗水回用

純水處理機組日常維護中最重要的環節就是預處理、反滲透膜正反沖洗以及定期更換濾芯濾料，預處理系統的多介質過濾器及活性炭塔在沖洗過程中會排放大量沖洗廢水。該廢水具有周期性、集中性、一次排水量大等特點，易于收集；廢水中含有大量自來水中的顆粒物、膠狀物、懸浮物等，可經沉降、過濾等處理后回用于冷卻塔補水或純水原水箱。

3.4 廢氣洗滌塔排水重復利用

電子芯片企業生產過程中會產生大量的酸性及堿性氣體，需采用濕式廢氣洗滌塔吸收并經處理后納管排放，廢氣洗滌塔數量隨企業生產規模而定，其補水量也隨著數量的增加而大幅增長。

廢廢氣洗滌塔排水中污染物主要有懸浮物、顆粒物、酚類、油膠體、氨、氮、硫化物等，可通過過濾、吸附及反滲透/離子交換等方式處理后，重新回用于洗滌塔補水。區域內某企業設有多個廢氣洗滌塔系統，在水平衡測試期間，廢氣洗滌塔補水情況如表5所示，其中廢氣洗滌塔總補水量達到2879.6m3/d，其中自身排水處理后回用量為1631.7m3/d，比例高達56.7%，有效降低了自來水用水量，節水效益顯著。

表5 某企業廢氣洗滌塔補水情況表 m3/d

4 結語

隨著我國實施最嚴格水資源管理制度，企業節水減排工作不斷深入。通過區域內電子芯片制造企業水平測試工作的有序開展，管理部門基本摸清了該類企業的用水特點及節水措施，為管理部門開展節水監管工作及進一步實現水資源的優化配置提供了有力支撐。

電子芯片制造企業用、排水量大，只有不斷進行工業水重復利用，才能充分挖掘節水潛力，本文建議按照圖2的工業用水流程進一步提升工業用水重復利用率，為進一步提高行業用水水平提供科學依據，為相關行業企業節水工作開展提供參考。

圖2 建議電子芯片企業工業用水流程示意圖