浅析某微电子产业园制造厂房超纯水处理系统案例

张泽超

山东建筑大学热能工程学院

0 引言

随着科技的进步，半导体芯片制造业得以快速发展，但由于其制造工艺的精密性和复杂性，对工艺中所用水质要求极高。超纯水制备是通过一定的工艺使水中的导电介质几近完全去除，并将胶体物质、气体、有机物等降低到最低浓度，使经过处理的水不含杂质、无细菌、无含氯物质等［1］。常见的超纯水工艺系统包括：预处理系统、反渗透系统、电除盐系统、抛光混床系统［2］四部分。本文以青岛市一芯片制造厂房为例，介绍了超纯水系统的制备工艺，并应用节能降耗理念，优化节水节能措施。

1 项目概况

项目位于以芯片制造业为核心的青岛市崂山区青岛微电子产业园，项目总建筑面积约50 000 m2，效果图如图1所示。根据设计，系统进水源为当地自来水。根据《生活饮用水卫生标准》GB 5749—2006［3］、青岛市城市供水水质公报［4］、崂山水厂水质调查情况绘制了变化折线图，如图2所示，工艺生产所需超纯水水质标准如表1所示。

图1 项目效果图

图2 水质变化折线图

表1 超纯水水质标准

2 工艺系统

该项目超纯水制备及供应系统设计用水量为48 m3/h，主要工艺系统包括预处理系统、反渗透系统、电除盐系统、抛光混床系统等，生产工艺流程图如图3所示。

图3 超纯水生产工艺流程图

1）预处理系统

预处理系统包括ACF活性炭过滤器、自清洗过滤器及UF超滤装置，主要作用为：对自来水进行粗加工，去除原水中的悬浮物，降低胶体浓度，使淤泥密度指数SDI降低至4以下；降低朗格利尔饱和指数LSI，有效避免碳酸盐、硅酸盐等发生结垢后堵塞两级RO膜；去除原水中的氧化类物质，防止对反渗透膜造成损伤。

2）反渗透系统

反渗透系统包括保安过滤器及两级RO反渗透膜。保安过滤器将进入RO反渗透膜的固体微粒粒径限制在5μm以下，有效防止反渗透膜的污堵及防止高压泵高压出水导致的RO膜破损。两级RO反渗透膜是一种半透膜，利用高压离心泵提供的、与自然渗透流动方向相反的动力［5］来实现水的净化，将水中绝大部分的微生物、有机物、无机盐等去除。

3）电除盐系统

电除盐系统包括EDI过滤器及CEDI连续电除盐系统，系统以直流电为驱动力，利用离子交换膜与离子交换树脂进行深度脱盐，使出产的超纯水电阻率≥18 mΩ·cm。相较于传统的EDI除盐系统，CEDI连续电除盐系统采用在浓水室添加特制树脂的技术来降低模组电阻率，由于无需注入盐水循环，运行成本更低，且降低了盐内杂质对模块的污染。

4）抛光混床系统

该项目在超纯水自氮封水箱之后、工艺用点之前设置了3台抛光混床罐，使用PE玻璃钢作为罐体内衬，以去除水中小分子有机物，保证超纯水水质的稳定性和一致性。但此类填料为不可再生树脂，正常使用寿命约两年，需按时更换。

3 运行和维护

超纯水是芯片工业生产的命脉，因此在运行过程中需随时对超纯水系统各项参数进行监控，及时对不符合限定值参数的设备进行检查，需重点关注的参数及措施如表2所示。

表2 重点关注的参数及措施

为提高设备使用寿命，该项目根据以往经验，对纯水系统的运行与维护进行了优化。

对UF系统，因为其启停及反洗均由自控气动阀执行，为防止空压机停运导致气动阀不动作，该项目从氮气储气罐单接了一输气管作为气动阀的备用气源，此外为保证UF超滤膜组件的水通量，定期对膜组进行化学清洗。

对两级反渗透RO系统，由于原水会随季节变化而导致氯化消毒剂用量增多，因此应实时监测入水、出水及中间水箱的OPR值，调整NaOH加药量；为防止出水量减少、压差增大，每年至少一次对反渗透膜进行清洗。

对CEDI系统，因超滤水箱、一二级RO水箱内的水与空气接触会产生细菌和微生物，溶解CO2值也会偏高，因此需每年进行一次化学除垢，除垢后的CEDI不得立即投入使用，需带电运行一段时间，在离子交换树脂活跃重生后方可正常运行。

4 节水与节能优化措施

4.1 实施措施

超纯水制造工艺由于其去离子工艺的复杂性，从原水到纯水的回收率较低，水资源浪费较大，增加了系统的运行成本。该项目考虑各排水节点，针对超滤反洗排水、浓水排水环节制定了回收利用措施，并采用了集中和分散相结合的PLC集散型自动控制系统。

1）超滤反洗排水

除纯水系统外，该项目还设置了制冷系统、供热系统、空压机系统、PCW系统、新风系统等，系统所需补水量较大。为提高水资源利用率，促进超滤反洗排水的回收利用，该项目设置了废水处理站，将超滤反洗排水及其他系统的工艺废水一同收集和处理，将处理后的废水用于冷却塔补水、绿植灌溉、道路冲刷等，最大限度地提高废水利用率。

2）浓水排水

该项目一级RO系统水回收率为75%。浓水排水量虽较大，溶解性总固体TDS指标也较高，但悬浮颗粒物含量低，具有回收价值，为此单独设置了一套收集水箱进行收集，将收集到的一部分一级RO系统浓水用于绿植灌溉、卫生冲洗，另一部分则进入二级RO反渗透系统进行二次浓缩。二级RO系统及CEDI连续电除盐装置产生的浓水进入超滤水箱，用于ACF活性炭过滤器及UF超滤系统的反洗，节省了自来水用量，降低了系统能耗，实现了水量平衡。该项目水量平衡原理如图4所示。

图4 水量平衡图

3）自控系统

为了降低运行成本与能源消耗，保障纯水制备的高效运行，该项目采用了分散式与集中式相结合的PLC控制系统，利用光纤作为传输介质，对水位、水质、流量等进行实时监控，并设定限定值对设备进行自动启停，减少因空转造成的能源消耗，延长了设备使用寿命，且使设备更安全地运行。

4.2 成本分析

该项目运行成本主要包括水费、加药药剂费及电费。根据设计，制备63 m3/h的超纯水需消耗110 m3/h自来水，青岛市目前非居民用水水价为5.4元/m3，用水水费594元/h；加药药剂平均消耗费用约为11元/h；设备总运行负荷为117 kWh，电费价格按照平均值0.8元/kWh计算，系统运行电费价格为93.6元/h。

综上计算，该项目综合运行费用约为698.6元/h，产出纯水费用11.1元/m3（综合运行费用仅为设备正常运行费用，不包含人工检修维护费）。

5 结语

超纯水是半导体制造业的工艺命脉，近年来超纯水技术随着半导体行业的发展在不断进步，尤其是膜技术与抛光混床技术。该项目为工业厂房超纯水制造提供了实际案例，为其他项目的建设和优化提供一定的参考和借鉴。