沈偉強 上海市松江區(qū)供排水管理所

1 水平衡測試簡介

水平衡是以企業(yè)為考察對象的水量平衡，即企業(yè)各用水單元或系統(tǒng)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(tǒng)的水量進行系統(tǒng)的測試、統(tǒng)計、分析得出水量平衡關系的過程。針對一個企業(yè)而言，企業(yè)類型、生產(chǎn)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(tài)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(yè)在各用水部位根據(jù)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(yè)均采用水表計量法作為水量測定方法。

按照《企業(yè)水平衡測試通則》（GB/T 12452-2008）和《節(jié)水型企業(yè)評價導則》（GB/T 7119-2006），水平衡測試單位選取企業(yè)生產(chǎn)運行穩(wěn)定、有代表性的時段進行測試，連續(xù)測試時間為72h，每24h記錄一次，共取4次測試數(shù)據(jù)；通過測試結果對企業(yè)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(huán)率、重復利用率、廢水回用率、非常規(guī)水資源替代率、達標排放率等。

2 行業(yè)用水特點

2.1 清洗用水量大

電子芯片生產(chǎn)工藝復雜，工藝步驟繁多，主要生產(chǎn)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(chǎn)品和器皿等進行沖洗，沖洗后會產(chǎn)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(yè)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(huán)系統(tǒng)規(guī)模大

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

表2 區(qū)域內典型電子芯片企業(yè)間接冷卻系統(tǒng)循環(huán)量

2.3 純水需求量大

電子芯片生產(chǎn)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(chǎn)生，所需原水量大。松江區(qū)內典型電子芯片企業(yè)純水系統(tǒng)用水量情況如表3所示，其中除企業(yè)2、企業(yè)5兩家冷卻循環(huán)水量高于98%的企業(yè)外，其他3家企業(yè)純水用水量可達到企業(yè)總用水量的50%左右，而純水系統(tǒng)原水需水量也達到70%左右。

3 工業(yè)用水重復利用方法

3.1 生產(chǎn)廢水回用

電子芯片企業(yè)清洗廢水量大、易分類收集，經(jīng)處理后可回用于純水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、洗滌塔等各方面，具有極大的節(jié)水效益。

水平衡測試期間，松江區(qū)內某圓晶生產(chǎn)企業(yè)總用水量為22288m3/d，經(jīng)過歷年多次節(jié)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(wěn)定的清洗廢水中水回收利用系統(tǒng)，各中水系統(tǒng)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(yè)清洗廢水回用的節(jié)水量為8602m3/d，占企業(yè)總用水量的38.6%，節(jié)水效益顯著。

表4 某企業(yè)中水利用情況

3.2 濃水利用

電子芯片企業(yè)所采用的純水處理機組一般為二級RO機組，根據(jù)《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(chǎn)水率在25%～40%之間。

分析區(qū)域內5家典型電子芯片企業(yè)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(chǎn)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(jù)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(jīng)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(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，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(qū)域內典型電子芯片企業(yè)純水系統(tǒng)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(huán)節(jié)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(tǒng)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(jīng)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(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)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(jīng)處理后納管排放，廢氣洗滌塔數(shù)量隨企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模而定，其補水量也隨著數(shù)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(qū)域內某企業(yè)設有多個廢氣洗滌塔系統(tǒng)，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(jié)水效益顯著。

表5 某企業(yè)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(yè)節(jié)水減排工作不斷深入。通過區(qū)域內電子芯片制造企業(yè)水平測試工作的有序開展，管理部門基本摸清了該類企業(yè)的用水特點及節(jié)水措施，為管理部門開展節(jié)水監(jiān)管工作及進一步實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置提供了有力支撐。

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

圖2 建議電子芯片企業(yè)工業(yè)用水流程示意圖