浅析半导体硅片行业废水处理工程_谭淑月.pdf

皮革技术-25-浅析半导体硅片行业废水处理工程谭淑月(淄博绿能芯创电子科技有限公司，山东 淄博 255000)摘要：近年来国内半导体产业发展态势良好，硅片生产规模不断扩大，但随之出现的就是废水排放及处理问题。文中以300 mm硅片生产废水处理工程为例，根据工程概况，阐述含氟废水、CMP废水、含铜废水的处理工艺，并以此为基础提出改进建议。关键词：300 mm硅片；半导体厂；废水处理；酸碱废水中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-04-08 Brief Analysis of Wastewater Treatment Engineering in Semiconductor Silicon Wafer IndustryTan Shuyue(Zibo Green Energy Core Electronic Technology Co.,Ltd.,Zhibo 255000,China)Abstract:In recent years,the domestic semiconductor industry has developed well,and the scale of silicon wafer production has been expanding,but the problem of wastewater discharge and treatment has emerged.Taking the wastewater treatment project of 300 mm silicon wafer production as an example,the treatment process of fl uorine-containing wastewater,CMP wastewater and copper-containing wastewater is described according to the project overview,and suggestions for improvement are put forward on this basis.Key words:300 mm silicon wafer;semiconductor fabs;wastewater treatment;acid and alkali wastewater一直以来，半导体产业都是我国社会经济发展的先导产业，也是高新技术发展的核心，如今已经渗透到了国民生活的各个领域。硅片生产工艺十分复杂，生产步骤较多，需要用到多种化学药剂，无论是硅片清洗，还是干法刻蚀、湿法腐蚀期间都会存在废水处理的问题，如何高效处理废水已经成为产业可持续发展面临的重要问题。1工程概况分析以某300 mm硅片半导体厂为例，其每天废水产生量都达到9 800 m3，生产车间会按照污染物的类别对废水进行分类收集，根据不同种类废水的特点进行处理，达标后通过市政管网排放到污水处理厂1。目前半导体生产主要产生的废水中，酸碱废水与含氟废水的水量最大，在2 000 m3/d左右。排放标准执行污水综合排放标准（GB 8978-1996）2中的三级标准，见表1。表1厂区内废水水质水量及排放标准表废水种类项目pH值COD(mg/L)F(mg/L)NH3-N(mg/L)水量(m3/h)含氨废水81010010含氟废水21 00015酸碱废水11310045排放标准695002040废水处理多数采用化学反应与物理沉淀方法，处理达标后才能排放，但是对于废水处理后的回收利用却缺少案例，比如将含有Cu和Ag的金属污染物的清洗废水经过化学混凝沉淀、活性炭吸附处理后，最终的纯水可以用于生产用水中，提高了半导体厂的废水利用率。半导体行业废水中的含氟废水如果直接排放，最明显的表现就是大量藻类的繁殖，促使水体开始出现严重的富营养化问题，甚至产生具有严重致癌性的亚硝胺。如果将含铜废水直接排放到环境中，则会直接破坏水质，而人体大量摄入铜元素，会相应引发严重的肝病。在此情况下，针对300 mm硅片半导体厂的废水处理问题，则需要加强废水处理工艺的研究，切实减少废水的排放量，维护生态环境的健康稳定。2300 mm硅片半导体厂废水处理工艺2.1含氟废水处理工艺针对含氟废水的有效处理，一般选择化学沉淀法、离子交换法等，比如对氟化物浓度为747 mg/L的含氟废水采用化学沉淀法，先将废水的酸碱值调节到7.5左右，然后在废水中加入氯化钙溶液、PAM以及PAC等物质，使水中氟离子的浓度降低到7 mg/L。过量添加PAC时，氟离子可降至1 mg/L左右3。由此可见，采用混凝沉淀处理方法能够有效处理含氟浓度在500 mg/L左右的废水，去除率可以达到9099%以上。本项目中进水的氟离子浓度为300 mg/L，采用混凝沉淀法，另配置一套活性氧化铝吸附装置，若不达标则经氧化铝吸附后排放。项目的主要流程为：含氟废水进入含氟调节池进行曝气混匀，然后经提升泵提升至含氟反应池。池中设有pH计，作者简介：谭淑月(1988-)，女，本科，工程师，研究方向：环境工程。皮革技术-26-用于控制加药泵投加酸碱，调节pH值至79，同时投加CaCl2，与废水反应生成沉淀。然后依次自流进入混凝池和絮凝池，通过加药泵分别加入PAC与PAM，进一步混凝沉淀。2.2CMP废水处理工艺半导体厂硅片生产期间需要用到化学机械研磨的工艺方式，即应用研磨剂在化学与机械作用下磨去硅片表面的介质。研磨剂是一种混合液，其中包含磨料和腐蚀剂等成分，研磨之后需要使用纯水将硅片表面冲洗干净，确保表面不会有残留的研磨液。CMP废水中含有粒径在70 nm以上的颗粒悬浮物、金属氧化物以及不同的化学试剂，因水中的悬浮颗粒物浓度比较高，稳定性较强，因而难以有效去除。按照研磨表面的实际类型，将CMP废水详细划分为氧化层与金属层研磨废水两种，随后再用电化学法或者混凝法处理并回收废水4。2.3含铜废水处理工艺针对含铜废水的有效处理，首选电解法、沉淀法以及生物法等。微电解法作为一种行之有效的含铜废水处理方法，充分利用了原电池原理，促使废水中含有的大量铜离子可以直接进行电子交换，最终转变成铜单质，完成整个含铜废水的处理流程。使用电解法处理含铜废水使用范围广泛、处理效率高。沉淀法则充分利用活性肽、粉煤灰等吸附材料的吸附作用，吸附并降低铜离子的含量，使用起来简单方便，吸附材料的成本低，具有多方面的应用价值。对于300 mm硅片半导体厂，由于生产期间含铜废水在排放时存在重金属Cu离子和Ag离子、Ni离子，氢氧化物溶度已经达到排放要求。通过加碱沉淀的方法对废水进行有效处理，利用共沉淀原理降低含铜废水中碱的含量5。该方法在应用时需要控制好pH值，明确不同金属离子在去除时需要达到的最佳pH值，将其调整至碱性后，使铜离子与其他金属离子发生反应并产生沉淀，当在其中加入重金属捕捉剂后，使金属离子与捕捉剂之间形成螯合物。凭借捕捉剂强大的螯合性特点，使其在常温及pH值范围较大的条件下进行，成功去除水中的絮状沉淀物，最后在水中加入絮凝剂即可去除所有沉淀。2.4有机废水与氨氮废水处理工艺高浓度氨氮废水中的污染物主要是NH3，需要采用生化法集中处理，但处理设施占地较大，还需投入碳源。为了改进处理方法，可以将生化法与吹脱法相结合，将废水的pH值调节至11.5，将废水吹脱出氨气后，再将废水送入调节池，使废水与有机废水一起处理，并依靠其中的碳源进行硝化，降低氨氮浓度。而吹脱出的氨气会在吸收塔中与硫酸反应，最终生成硫酸铵产品。完成吹脱处理的氨氮废水与有机废水在调节池中进行混合，将废水的pH值控制在8左右，使废水成为弱碱性水，再将废水引入二段AO生化反应区。在反应池中，厌氧段具有水解作用，可以将高分子有机物分别水解为大分子有机物和小分子有机物，发挥微生物的分解与吸收作用，达到去除COD的目的。2.5酸碱废水处理工艺半导体厂每日需要排放大量的酸碱废水，这类废水的污染物主要包含酸性与碱性物质。目前采用的废水处理工艺是向废水中加入酸或者碱，将废水的pH值调节到中性即可。此外，生产车间中冲洗地面的废水和废水站内收集的废水也能送入酸碱调节池中，与酸碱废水一起进行调节处理，直到最终达到排放标准。主要流程为：酸碱废水进入酸碱废水调节池进行曝气混匀，然后通过水泵提升进入pH中和池进行三级酸碱加药反应。调节pH值至中性，使出水进入排放池并达标排放。2.6废气处理工艺生产车间在废水存放与处理工作中，无论是有机废水还是无机废水的排放都会释放臭味。废水站一般建在室内，通风条件较差，且使用鼓风机搅拌与曝气的时候，废水散发的味道十分严重。针对这种情况，建议相关人员在进行设计时，对玻璃钢通槽与水池要采用密封设计的方式，并为废气设置专门的收集管路，以便可以应用废气风机将臭气抽至洗涤系统。废气洗涤系统主要是应用卧式洗涤塔，废气收集管道和洗涤塔需要使用耐酸碱腐蚀的材质，比如PP材质，同时还要配备液位计、循环泵等装置。废气洗涤系统运行时用到的酸碱液可以由废水处理站的酸碱循环加药装置供给，酸碱废水送入调节池后统一处理即可。3300 mm硅片半导体厂废水处理工程改进措施300 mm半导体硅片厂在生产过程中的废水排放量较大，需要排放的废水与废液种类较多，且成分复杂，处理时难度比较大。建议安排环保人员参与废水的分水处理，对生产的废水与废液进行分类采集，从而达到分质处理的目的。将废水收集后送入处理站，利用合理的工艺将废水处理完成后，再进行排放与回用。将高浓度废液进行分类收集，可以有效回收重金属，或者安排专业公司对废液进行统一处理。对于以上采用的废水处理工艺，还可以采取以下改进措施：（1）生产期间排放的废水与废液，以及酸碱药剂具有较强的腐蚀性，架空管路应使用双套管完成磷酸废液和硫酸废液等液体的收集与输送。在管道外部套上PVC管，如果管道内部出现泄漏事故，外部透明的PVC管道将可以有效防止液体滴溅，而且透明管道有利于帮助人们找到具体泄漏的位置。（2）一般情况下，废水处理站建在室内，与纯水站、消防水池等规划在一起，由于占地有限，为保证其容积，要求水池与通槽高度保持在4 m以上，如果顶部与楼板距离较低，建议尽可能地增加楼层高度。（3）要充分考虑中水回用与循环利用，比如氨氮废水经过MBR处理后，水质能够达到绿化用水标准。对于酸碱废水与含氟废水等无机废水，处理后能够成为半导体厂纯水站的进水，从而降低废水的排放量，减少新鲜用水的使用。4主要构筑物及设计参数4.1酸碱废水系统4.1.1 酸碱调节池1座，设计规模：2 400 m3/d，停留时间：3.3 h，尺寸：5.3 m9.7 m6.0 m。主要设备：提升泵，2台（1+1），Q=120 m3/h，H=20 m。4.1.2 pH中和池11座，FRP材质，停留时间：30 min，尺寸：4.9 m2.3 m5 m4.1.3 pH中和池21座，FRP材质，停留时间：15 min，尺寸：2.0 m2.3 m5 m。皮革技术-27-4.1.4 pH中和池31座，FRP材质，停留时间：15 min，尺寸：2.0 m2.3 m5 m。4.2含氟废水系统4.2.1 含氟调节池1座，设计规模：720 m3/d，停留时间：3.6 h，尺寸：2.1 m9.7 m6.0 m。主要设备：提升泵，2台（1+1），Q=40 m3/h，H=20 m。4.2.2 含氟反应池1座，FRP材质，停留时间：15 min，尺寸：1.5 m1.5 m5 m。调节进水pH值，同时投加CaCl2，与水中的氟离子反应。主要设备：桨式搅拌机，1台，转速为80 rpm。4.2.3 含氟混凝池1座，FRP材质，停留时间：15 min，尺寸：1.5 m1.5 m5 m。投加PAC混凝。主要设备：桨式搅拌机，1台，转速为80 rpm。4.2.4 含氟絮凝池1座，FRP材质，停留时间：15 min，尺寸：1.5 m1.5 m5 m。投加PAM，凝聚水中大分子，加快沉淀。主要设备：框式搅拌机，1台，转速为30 rpm。4.2.5 含氟吸附槽（活性氧化铝）尺寸：2.8 m2.5 m。若氟离子超标，废水切换进入吸附槽，吸附处理。4.3研磨废水系统4.3.1 研磨调节池1座，设计规模：2 320 m3/d，停留时间：3.3 h，尺寸：5.6 m9.7 m6.0 m。主要设备：提升泵，2台（1+1），Q=110 m3/h，H=20 m。4.3.2 研磨反应池1座，FRP材质，停留时间：18 min，尺寸：2.4 m2.8 m5 m。调节进水pH值，同时投加PAC混凝沉淀。主要设备：桨式搅拌机，数量1台，转速为80 rpm。4.3.3 研磨絮凝池1座，FRP材质，停留时间：18 min，尺寸：2.4 m2.8 m5 m。投加PAM，凝聚沉淀。主要设备：框式搅拌机，数量1台，转速40 rpm。4.3.4 研磨初沉淀池1座，设计规模：3 040 m3/d，停留时间：2.3 h，尺寸：13.5 m4.6 m5 m。废水进入沉淀池沉淀，上清液进入生化池。主要设备：污泥泵，2台（1+1），2寸。4.4生化系统4.4.1 水解池A/B共2座，停留时间：4.9 h，尺寸：4.55 m8.8 m5.0 m。水解酸化大分子有机物，改善废水的可生化性。4.4.2 接触氧化池A/B共2座，停留时间：12 h，尺寸：19.0 m长4.55 m宽6.5 m高。池内曝气。4.4.3 二沉池A/B共2座，停留时间：6.7 h，尺寸：16.8 m4.5 m5 m。沉淀生化污泥。上清液进入排放池。主要设备：污泥泵，3台（2+1），2寸。将污泥送至污泥储池。4.4.4 排放池1座，停留时间：0.5 h，尺寸：5.3 m6.3 m5 m。收集排放废水，测定水中污染物指标，使其达标排放。主要设备：排放回流泵，2台（1+1），Q=230 m3/h，H=20 m4.5污泥系统4.5.1 污泥储池1座，尺寸：11.0 m4.6 m5 m收集污泥，送至压滤机压干主要设备：污泥压滤泵，2台（1+1），2寸。4.5.2 污泥脱水系统绝干污泥量为750 kg/d，污泥含水率为98%，经板框压滤后含水率达到70%。污泥上清液回流至调节池重新处理。主要设备：板框隔膜压滤机，过滤面积：120 m2，过滤压力：0.8 MPa，滤板材质：增强聚丙烯。5运行效果及费用5.1运行效果该工程进行调试运行验收合格后，工程连续运行期间的水质稳定，各项指标均达到设计排放标准及纳管标准。5.2运行费用连续运行期间，电费0.83元/m3，药剂费用1.74元/m3，由于自动化程度较高，人工费用约为0.30元/m3，整体运行费用约为2.87元/m3。6结语总之，为了更好地推动半导体产业的发展，在提高半导体产业营收利润的同时，还应关注产业生产期间的废水处理问题。针对含氟废水、含铜废水、酸碱废水以及CMP废水的有效处理，建议采用电解法、生物法、絮凝沉淀法等方法，同时利用活性炭的吸附作用提高废水利用率，使出水符合生产回用水的要求，实现水资源的回收利用。通过对某300 mm硅片半导体厂废水处理技术进行分析，得出如下结论：（1）该项目水量大（设计水量达到9 800 m3/d），废水种类较多，具有半导体电子行业废水的代表性。废水分类处理能够有效提升处理效率，同时保证出水水质。（2）整套系统采用PLC程序控制，自动化程度高，节省人力成本，运行成本为2.87元/吨水。参考文献：1周武超,付权锋,张运武，等.含氟废水处理技术的研究进展J.化学推进剂与高分子材料,2013(1):45-50.2GB 8978-1996,污水综合排放标准S.3葛兴彬.工业含氟废水的处理J.中国资源综合利用,2019(4):35-37.4朱加豆,江宇,洪耀良,等.三星半导体公司闪存芯片生产废水处理工程J.中国给水排水,2018(10):105-109.5丁丽飞,叶汉强.集成电路废水分类收集与分质处理工艺分析J.清洗世界,2021,37(5):79-80.