电子芯片企业工业用水重复利用措施研究

沈伟强 上海市松江区供排水管理所

1 水平衡测试简介

水平衡是以企业为考察对象的水量平衡，即企业各用水单元或系统的输入水量之和应等于输出水量之和。而水平衡测试是对用水单元和用水系统的水量进行系统的测试、统计、分析得出水量平衡关系的过程。针对一个企业而言，企业类型、生产工艺、用水性质及复杂程度各不相同，但平衡的原理是相同的，与其化学成分和物理状态无关。

水平衡测试过程中水量测定方法包括水表计量法、容积法、流速法等，其中水表计量法为最常用的测定方法。企业在各用水部位根据管径、流量及管道方向分别安装口径DN25～DN100的各式水表。本文中典型企业均采用水表计量法作为水量测定方法。

按照《企业水平衡测试通则》（GB/T 12452-2008）和《节水型企业评价导则》（GB/T 7119-2006），水平衡测试单位选取企业生产运行稳定、有代表性的时段进行测试，连续测试时间为72h，每24h记录一次，共取4次测试数据；通过测试结果对企业用水情况进行汇总分析，主要评价指标包括间接冷却水循环率、重复利用率、废水回用率、非常规水资源替代率、达标排放率等。

2 行业用水特点

2.1 清洗用水量大

电子芯片生产工艺复杂，工艺步骤繁多，主要生产工序包括:硅片清洗、氧化/扩散、CVD沉积、光刻、去胶、刻蚀、离子注入、金属化、CMP研磨、检测等，并使用多种化学试剂和特殊气体。

清洗、刻蚀、研磨等工序需要多次对产品和器皿等进行冲洗，冲洗后会产生大量有机废水、无机废水或研磨废水等，排水量大，但水质情况不一，分类收集、处理利用的可行性高，典型电子芯片企业清洗废水分类情况如表1所示。

表1 清洗废水分类情况表

2.2 冷却循环系统规模大

电子芯片生产需要恒温恒湿的生产车间，部分主要生产设备、辅助生产设备（如空压机等）等也需要冷却降温，企业多采用水冷式间接循环冷却塔系统，这就导致了系统配备的冷却塔和冷却循环水泵数量多，循环系统规模庞大。通过对松江区多家电子芯片企业开展水平衡测试得到的统计结果如表2所示，多家企业的间接冷却系统循环水量均在总用水量的90%以上，最高可达98%以上，冷却循环系统规模大，系统补水率多在0.6%～1.0%之间，由此可见系统所需补水也是企业主要用水点之一。

表2 区域内典型电子芯片企业间接冷却系统循环量

2.3 纯水需求量大

电子芯片生产过程中所需冲洗水多采用纯水或超纯水，而其制备过程中又伴随着大量浓排水和反冲洗水的产生，所需原水量大。松江区内典型电子芯片企业纯水系统用水量情况如表3所示，其中除企业2、企业5两家冷却循环水量高于98%的企业外，其他3家企业纯水用水量可达到企业总用水量的50%左右，而纯水系统原水需水量也达到70%左右。

3 工业用水重复利用方法

3.1 生产废水回用

电子芯片企业清洗废水量大、易分类收集，经处理后可回用于纯水系统、冷却循环系统、洗涤塔等各方面，具有极大的节水效益。

水平衡测试期间，松江区内某圆晶生产企业总用水量为22288m³/d，经过历年多次节水改造，主要通过超滤、反渗透等处理工艺，形成了一系列运行稳定的清洗废水中水回收利用系统，各中水系统水源类别及回用方向、回用水量详见表4。

由表4可知，该企业清洗废水回用的节水量为8602m³/d，占企业总用水量的38.6%，节水效益显著。

表4 某企业中水利用情况

3.2 浓水利用

电子芯片企业所采用的纯水处理机组一般为二级RO机组，根据《上海市用水定额（补充）》中“纯水设备二级RO制水率”通用值60%、先进值75%的定额要求可知，普遍情况下二级RO纯水处理机组的浓水产水率在25%～40%之间。

分析区域内5家典型电子芯片企业的纯水综合制水率为65%～75%（见表3），均未达到先进值，在纯水需水量居高之下，产生的浓水量也十分可观。且一级RO浓水和二级RO浓水可分别收集，根据水质情况进行处理后回用。一级RO浓水杂质、含盐量较高，水质相对较差，可经反渗透处理后回用至纯水原水箱重新用于制备纯水，或可用于砂炭反冲洗等；二级RO浓水电导率较低，基本无杂质，水质较好，回用范围广泛，可以直接回用至一级RO进水，或回用于冷却塔补水、洗涤塔补水等，浓水利用示意如图1所示。经分析发现，RO浓水回用量可达到机组总处理水量的10%以上，最高可达30%。

表3 区域内典型电子芯片企业纯水系统用水量

图1 浓水利用方向示意图

3.3 砂滤、炭滤冲洗水回用

纯水处理机组日常维护中最重要的环节就是预处理、反渗透膜正反冲洗以及定期更换滤芯滤料，预处理系统的多介质过滤器及活性炭塔在冲洗过程中会排放大量冲洗废水。该废水具有周期性、集中性、一次排水量大等特点，易于收集；废水中含有大量自来水中的颗粒物、胶状物、悬浮物等，可经沉降、过滤等处理后回用于冷却塔补水或纯水原水箱。

3.4 废气洗涤塔排水重复利用

电子芯片企业生产过程中会产生大量的酸性及碱性气体，需采用湿式废气洗涤塔吸收并经处理后纳管排放，废气洗涤塔数量随企业生产规模而定，其补水量也随着数量的增加而大幅增长。

废废气洗涤塔排水中污染物主要有悬浮物、颗粒物、酚类、油胶体、氨、氮、硫化物等，可通过过滤、吸附及反渗透/离子交换等方式处理后，重新回用于洗涤塔补水。区域内某企业设有多个废气洗涤塔系统，在水平衡测试期间，废气洗涤塔补水情况如表5所示，其中废气洗涤塔总补水量达到2879.6m3/d，其中自身排水处理后回用量为1631.7m3/d，比例高达56.7%，有效降低了自来水用水量，节水效益显著。

表5 某企业废气洗涤塔补水情况表 m3/d

4 结语

随着我国实施最严格水资源管理制度，企业节水减排工作不断深入。通过区域内电子芯片制造企业水平测试工作的有序开展，管理部门基本摸清了该类企业的用水特点及节水措施，为管理部门开展节水监管工作及进一步实现水资源的优化配置提供了有力支撑。

电子芯片制造企业用、排水量大，只有不断进行工业水重复利用，才能充分挖掘节水潜力，本文建议按照图2的工业用水流程进一步提升工业用水重复利用率，为进一步提高行业用水水平提供科学依据，为相关行业企业节水工作开展提供参考。

图2 建议电子芯片企业工业用水流程示意图