CN100500255C - 水中微粒去除装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种水中微粒的去除装置及方法。该装置包含：一快混槽、一慢混槽及一沉淀或薄膜槽；其特征在于：所述沉淀或薄膜槽中包含一沉淀区，用于使所述慢混槽出流水中的胶羽沉淀；及一薄膜过滤区，用以过滤经所述沉淀区沉淀后的水。所述沉淀区及薄膜过滤区是由隔板区隔且两区域具有开口可相互连通，其中所述薄膜过滤区是设置于相对于沉淀或薄膜槽底一偏高处。本发明的处理装置较佳是用于处理例如化学机械研磨(CMP)废水或中、高浊度的原水。

Description

水中微粒去除装置及方法

技术领域

本发明是关于一种水中微粒的去除装置及方法，特别是一种适用于化学机械研磨废水或中、高浊度原水的处理装置及方法。

背景技术

随着环保意识的提升及用水的需求，水处理/回收技术的开发更显得重要。尤其，对水中含有微粒者直接应用传统废水处理技术，常无法有效处理或回收。以下分别说明化学机械研磨废水与中、高浊度原水的处理方式与困难点。

在半导体制程产业，其为了提高半导体组件的精密度，必须去除组件表面凹凸和高低不平的部分以进行后续高分辨率组件图案的制作，而其中所使用的关键技术即为「化学机械研磨法」(Chemical Mechanical Polishing，CMP)。「化学机械研磨法」主要是利用研磨浆液及研磨垫等化学品，配合机械研磨的动作，将IC晶圆上的介电薄膜或金属薄膜磨平，再以大量的超纯水洗净，因此半导体产业中大约有40％的水用于CMP制程中，也产生了大量的废水，约占制程总废水量的15～25％。CMP制程中引入研磨母液(slurry)于晶圆表面进行研磨，研磨母液中包含约5～10％，30～100nm的研磨砥粒(包括：SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂等)以及化学助剂(包括：pH缓冲剂、氧化剂、界面活性剂)。

CMP研磨废水中的主要成份为研磨过程中产生的氧化物微粒及研磨母液中的化学物质，其次为化学溶剂及清洗溶液。这些废水中的悬浮微粒粒径范围约在50～1000nm左右。由于悬浮微粒颗粒过小，且废水中含有分散剂，使得以传统混凝沉淀处理的效果不佳而必须过量加药，最终导致大量的污泥产出而造成二次污染，也使得水回收更加困难。另外，混凝处理效率不佳常使后续薄膜寿命短，增加设备操作成本。

另外，在中、高浊度原水方面，因为台湾地区河川短小且湍急的地形条件与时常遭逢台风、暴雨、地震等等天然因素，导致大雨夹带大量泥沙形成高浊水，使得进入净水场的原水浊度高达数万NTU，常造成净水厂停摆。这些表面水中难以沉降的悬浮固体物，其颗粒大小介于0.1nm至0.1mm之间；其中胶体(colloid)颗粒占悬浮固体物的大部分为造成水中浊度的主要来源，大小约介于1nm至1μm之间。这些颗粒表面因有机物而带负电荷，使得悬浮液成一稳定状态，颗粒与颗粒间因排斥力不易聚集，无法形成大颗粒通过重力作用沉降。在高浊水的情况下，由于水中颗粒浓度高，混凝操作条件不佳时，常造成沉淀效果差。

发明内容

有鉴于现有技术对于处理废水，尤其是CMP废水或中、高浊度原水的缺点，本发明的主要目的是提供一种水中微粒的去除装置，其可使废水先经过快混、慢混处理，使废水中微粒凝集成较大胶羽后再进入一沉淀或薄膜槽，并于沉淀或薄膜槽中使胶羽沉淀后较澄清的废水再通过薄膜过滤，以避免薄膜阻塞而无法正常运作。

本发明的另一目的是提供一种沉淀或薄膜槽，通过由该废水处理槽中的沉淀区及薄膜过滤区的设计，使进入沉淀或薄膜槽的废水中较大的颗粒先于沉淀区沉淀，再将沉淀后的废水导入薄膜过滤区过滤，如此可提升薄膜使用效率及延长薄膜的使用寿命。

本发明的又一目的是提供一种水中微粒去除方法，主要是利用所述的废水处理装置处理，较佳是应用于CMP废水或浊度约100～10,000NTU的中、高浊度原水，可有效提升废水处理效率及降低装置的耗损率。

为达上述目的，本发明是提供一种水中微粒的处理装置，包含：一快混槽；一慢混槽；及一沉淀或薄膜槽；其中：所述沉淀或薄膜槽中包含：一沉淀区，用于使所述慢混槽出流水中的胶羽沉淀；及一薄膜过滤区，该薄膜过滤区包含至少一薄膜，用以过滤经所述沉淀区沉淀后的水；所述沉淀区及薄膜过滤区是由至少一隔板区隔且两区域具有开口可相互连通，其中所述薄膜过滤区是设置于相对于沉淀或薄膜槽底一偏高处。

较佳地，本发明的水中微粒去除装置进一步包含一回流帮浦，用以将沉淀或薄膜槽中的薄膜过滤区的水抽取至所述快混槽，使其进入下一次废水处理程序，以获得更净化的水。

本发明另提供一种沉淀或薄膜槽，包含：一沉淀区，用于使废水中的杂质沉淀；及一薄膜过滤区，该薄膜过滤区包含至少一薄膜，用以过滤经所述沉淀区沉淀后的水；所述沉淀区及薄膜过滤区是由至少一隔板区隔且两区域具有开口可相互连通，其中所述薄膜过滤区是设置于相对于沉淀或薄膜槽底一偏高处。

较佳地，所述隔板的态样可包含单一片或多个隔板。若为多个隔板时，其中位于薄膜过滤区下方的隔板是可呈一倾斜设计，用以使所述薄膜过滤区沉淀的沉淀物排出而进入沉淀区排出。若为单一隔版时，该隔板相对于废水处理槽槽壁呈倾斜状设计，以便沉淀的胶羽排出。

另一方面，本发明提供一种水中微粒的去除方法，包含下列步骤：(a)将废水导入一快混槽，并添加混凝剂及调整pH值以去除微粒稳定性；(b)将所述步骤(a)的出流水导入一慢混槽，可添加或不添加胶凝剂使废水中微粒形成较大胶羽(较佳为≥2μm的胶羽)；及(c)将所述步骤(b)的出流水导入一沉淀或薄膜槽，所述胶羽于沉淀或薄膜槽内的沉淀区先进行重力沉降，而槽体内较上层澄清的废水经沉淀或薄膜槽内的薄膜过滤区的薄膜过滤后即可排出。

综上所述，本发明的水中微粒的去除装置及方法相较于现有技术，本发明的技术可使废水依序经由快混、慢混程序后再将较澄清的废水导入本发明开发的沉淀或薄膜槽，于槽中的沉淀区使胶羽进行重力沉降，之后再进入薄膜过滤区过滤成为干净的处理水。如此可有效改善现有技术中只有单独化混、单独薄膜处理或离子交换法处理的不足及弊端，此外，亦可解决传统薄膜槽常发生的薄膜阻塞的缺点。

附图说明

图1是本发明水中微粒去除装置的结构示意图；

图2(A)是本发明具有沉淀/薄膜过滤区的沉淀或薄膜槽的一实施态样的结构示意图；

图2(B)图是本发明具有沉淀/薄膜过滤区的沉淀或薄膜槽的另一实施态样的结构示意图；

图3是本发明实施例一的水通量与时间的关系图；

图4是本发明实施例一的透压与时间的关系图；

图5是本发明实施例一的混沉及薄膜处理后的浊度与TOC浓度图。

【主要组件符号对照说明】

1   快混槽

2   慢混槽

3   沉淀或薄膜槽

31  沉淀区

32  薄膜过滤区

33  薄膜

34  隔板

35  开口

36  污泥排出口

37  曝气管

38  溢流口

4   胶羽

5   抽水帮浦

6   回流帮浦

100 废水处理装置

具体实施方式

本发明所沿用的现有技艺，在此谨作重点式的引用，以助本发明的阐述。并且下述内文中相关图式并未依比例绘制，其作用仅在表现本发明的结构特征。

图1是为本发明的水中微粒去除装置100，包含：一快混槽1；一慢混槽2；及一沉淀或薄膜槽3；其中：所述沉淀或薄膜槽3中包含：一沉淀区31，用于使所述慢混槽2出流水中的胶羽4沉淀；及一薄膜过滤区32，该薄膜过滤区32包含至少一薄膜33，用以过滤经所述沉淀区31沉淀后的水；所述沉淀区31及薄膜过滤区32是由至少一隔板34区隔且两区域具有开口(如图2(A)或图2(B)的开口35)可相互连通，其中所述薄膜过滤区32是设置于相对于沉淀或薄膜槽3底一偏高处。

图2(A)是所述的沉淀或薄膜槽3的一种具体实施态样的详细结构示意图，该沉淀或薄膜槽3中的多个隔板34中位于薄膜过滤区32下方的隔板34是可呈一倾斜设计，用以使于薄膜过滤区32再沉淀的胶羽，经由开口35排出而进入沉淀区31后再经由该区的污泥排出口36排出。所述开口35的数量及位置可视需要设置于隔板34的任一处，较佳是设置于薄膜过滤区32下方的隔板34处，以便于沉淀物排出。

图2(B)是所述的沉淀或薄膜槽3的另一种具体实施态样的详细结构示意图，除了隔版34的设计不同外，其余皆与图2(A)相同。本发明的沉淀或薄膜槽3中的隔版34设计，亦可为图2(B)所示，仅使用单一倾斜的隔版34，区隔出沉淀区31及薄膜过滤区32。本发明隔版的设计可随意变换使用，不受特别限制，只要能有效区隔沉淀区31及薄膜过滤区32，并可使沉淀的胶羽排出即可。

本发明使用的薄膜材质包含，但不限于：不织布、陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)的超虑膜(UF)或微虑膜(MF)，薄膜材质的选用，熟悉该技艺者可视实际情况，选用其适当材质的薄膜。

所述沉淀或薄膜槽3亦可具有一抽水帮浦5，是连接于所述薄膜33用以抽取经薄膜薄膜33过滤后的水。经由薄膜33过滤后的水可当作次级用水或RO纯水系统的进流水。

较佳地，所述沉淀或薄膜槽3中的薄膜过滤区可进一步包含一曝气管37作为降低杂质附着或沉积于薄膜表面之用，提升薄膜效率及延长使用时间。本发明的沉淀或薄膜槽3可进一步具有一溢流口38，其设置于薄膜过滤区32的槽体边，可使该区过多的水排出。

再，本发明的水中微粒去除装置进一步可包含一回流帮浦6，用以将所述薄膜过滤区32的水抽取至快混槽1，进行回流再净化的程序，使得出流水的等级更提升。

所述图2(A)、图2(B)的沉淀或薄膜槽3亦可作为一废水处理槽，其可视废水污染的情况而单独使用或与其它现有的废水处理装置搭配，以期达到最佳的处理效果。

另一方面，本发明提供一种废水处理方法，是利用所述本发明的水中微粒去除装置(参考图1)。该方法首先将废水导入一快混槽1，并添加混凝剂及调整pH值(较佳pH值为3.0～7.5)以去除微粒稳定性，所述混凝剂包含无机或有机混凝剂，其中无机混凝剂例如多元氯化铝(PACl)、硫酸铝、硫酸铁等，有机混凝剂如聚氯化己二烯二甲基胺；之后将所述快混槽1的出流水导入一慢混槽2，可添加或不添加胶凝剂使废水中胶羽形成较大胶羽，所述胶凝剂包含，但不限于，例如高分子聚合物，如聚丙烯醯胺。接下来，将所述慢混槽1的出流水导入一沉淀或薄膜槽3，于此槽中所述胶羽于沉淀或薄膜槽3内的沉淀区31先进行重力沉降，而槽体内较上层澄清的废水经由隔板34的开口35流入沉淀或薄膜槽3内的薄膜过滤区32，再经由连接薄膜33的抽水帮浦5将该区的水经薄膜33过滤后排出。排出的水可作为次级用水或RO纯水系统的进流水或其它用途。

所述pH值调控、混凝剂或胶凝剂其是熟习该项技术者可任意选用调配，并不受特别限制。

较佳地，本发明的方法可进一步可通过由一回流帮浦6，将所述薄膜过滤区32的水抽取至快混槽1，进行回流再净化的程序，使得出流水的等级更提升而增加后续的应用价值。

以下是通过由数个实施例并配合图式说明本发明的实施态样，但并非用于限制本发明的申请专利范围。

实施例

实施例一、CMP混合废水处理实验

使用小型沉淀或薄膜槽(21cm(L)×21cm(W)×60cm(H))(薄膜出水量设定为32mL/min)用以处理CMP混合废水。此废水浊度220～270NTU，总有机碳(total organic carbon，TOC)30～37mg/L。将CMP混合废水置于100L塑料桶，先进行快混处理，混凝剂采用PACl。试验期间的PACl加药量随着废水而变，约1000～2800mg/L。然后再将上述塑料桶内搅拌机减速，改为慢混操作。沉淀或薄膜槽设有液位控制器可自动注入废水。试验时所使用的不织布薄膜为平板式(10cm x 10cm)，操作时，以2.4m³/m²/d(如图3)的通量(flux，以符号J表示)抽取混凝沉淀后的上澄液通过薄膜，透压(transmembrane pressure，TMP)随着时间的变化如图4所示，经由固定时间的空气反洗，TMP落于100～500mmHg间。图5显示连续7天实验的浊度与TOC水质数据。当PACl加药量控制不佳时，混凝后上澄液浊度曾达20NTU，使得透压升高，但是薄膜处理水浊度皆可小于1NTU。

实施例二、高浊度原水处理实验(未混凝前处理)

本实施例是使用如图2(A)所示的沉淀或薄膜槽处理未混凝前的原水。该沉淀或薄膜槽的结构是使用压克力制(21cm(L)×21cm(W)×57cm(H))的方型槽，有效体积为20L，薄膜区底部安装曝气管，以曝气方式(空气流量6L/min)减少微粒于薄膜表面附着的机会。薄膜采用不织布滤材，其为开放型孔洞的网状结构物，孔洞直径大小均于介于30～50μm之间，为亲水性材质，膜板外部尺寸长22cm、宽15cm，两面的面积共为600m²。进流水为利用石门水库底泥调配成高浊度原水以进行评估试验。

操作条件为设定出流水量55mL/min，水流通量1.2m³/m²/day，连续操作期间进流水浊度4,000～10,000NTU，出流水浊度降至平均50NTU，浊度的去除率达到99％以上；出流水量在连续操作8天后仍可维持51mL/min以上，显示纯不织布膜过滤高浊度水，利用此种操作策略可以长时间操作。

实施例三、高浊度原水处理实验(混凝前处理)

使用小型沉淀/薄膜处理槽(实验装置规格同实施例二)进行中浊度水过滤处理试验，欲处理水为中油桃园炼油厂已加混凝剂的中浊度水，其浊度96NTU，再经不织布膜处理，维持水流通量1.2m³/m²/day时，出流水浊度平均可降至1.3NTU，去除率平均99％。

由上述实施例结果可知，使用本发明开发的水中微粒去除装置可使CMP混合废水的出流水浊度平均降至1NTU以下，而中、高浊度的原水经本装置处理后，出流水浊度最佳可降至1.3NTU，可有效去除微粒，且可解决传统薄膜槽常发生的薄膜阻塞的缺点。

其它实施态样

本发明的实施方法已详述于所述实施例中，任何熟悉本技术领域的人士皆可依本发明的说明，在不背离本发明的精神与范围内视需要更动、修饰本发明，因此，其它实施态样亦包含在本发明的申请专利范围中。

Claims (30)

1.一种水中微粒去除装置，包含：

一快混槽；

一慢混槽；及

一沉淀或薄膜槽；

其特征在于：所述沉淀或薄膜槽中包含：一沉淀区，用于使所述慢混槽出流水中的胶羽沉淀；一薄膜过滤区，该薄膜过滤区包含至少一薄膜，用以过滤经所述沉淀区沉淀后的水；及一曝气管，做为降低杂质附着或沉积于薄膜表面之用；所述沉淀区及薄膜过滤区是由一隔板区隔且两区域具有开口可相互连通，且所述隔板高于水面且相对于废水处理槽壁呈一倾斜设计，用以使在所述薄膜隔离区沉淀的胶羽排出而进入沉淀区排出，其中所述薄膜过滤区设置于相对于沉淀薄膜槽底一偏高处，所述曝气管位于所述薄膜下方与所述隔板的旁边，且不低于所述隔板的最低点。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述沉淀或薄膜槽进一步具有一污泥排出口，用于使沉淀的胶羽排出。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述沉淀或薄膜槽进一步具有一抽水帮浦，是连接于所述薄膜用以抽取经薄膜过滤的水。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述隔板是单一隔板。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：进一步包含一回流帮浦，用以将所述薄膜隔离区的水抽取至所述快混槽。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述薄膜的材质包含不织布、陶瓷、聚偏氟乙烯的超滤膜或聚偏氟乙烯的微滤膜。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述废水是包含：化学机械研磨废水或浊度100～10,000NTU的原水。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述废水是包含：浊度100～10,000NTU的原水。

9.一种沉淀或薄膜槽，其特征在于，包含：

一沉淀区，用于使废水中的杂质沉淀；

一薄膜过滤区，该薄膜过滤区包含至少一薄膜，用以过滤经所述沉淀区沉淀后的水；

一曝气管，做为降低杂质附着或沉积于薄膜表面之用；

所述沉淀区及薄膜过滤区是由一隔板区隔且两区域具有开口可相互连通，且所述隔板高于水面且相对于废水处理槽壁呈一倾斜设计，用以使在所述薄膜隔离区沉淀胶羽排出而进入沉淀区排出，其中所述薄膜过滤区设置于相对于沉淀薄膜槽底一偏高处；所述曝气管位于所述薄膜下方与所述隔板的旁边，且不低于所述隔板的最低点。。

10.如权利要求8所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于：进一步具有一污泥排出口，用于使沉淀的沉淀物排出。

11.如权利要求8所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于：进一步具有一抽水帮浦，是连接于所述薄膜，用以抽取经薄膜过滤的水。

12.如权利要求8所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于：所述隔板是为复数隔板，该复数隔板中位于薄膜隔离区下方的隔板是可呈一倾斜设计，用以使所述薄膜隔离区沉淀的沉淀物排出而进入沉淀区排出。

13.如权利要求8所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于：所述隔板是单一隔板，该隔板相对于废水处理槽槽壁呈倾斜状设计，以便沉淀的胶羽排出而进入沉淀区排出。

14.如权利要求8所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于：所述薄膜的材质包含不织布、陶瓷、聚偏氟乙烯的超微滤或聚偏氟乙烯的微滤膜。

15.一种水中微粒的去除方法，其特征在于，包含下列步骤：

(a)将废水导入一快混槽，并添加混凝剂及调整pH值以去除微粒稳定性；

(b)将所述步骤(a)的出流水导入一慢混槽，使废水中微粒形成胶羽；及

(c)将所述步骤(b)的流出水导入一如权利要求9所述的沉淀或薄膜槽，所述胶羽于沉淀或薄膜槽内的沉淀区先进行重力沉降，而槽体内上层澄清的废水经沉淀或薄膜槽内的薄膜过滤区的薄膜过滤后即可排出。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于：可进一步增加一回流程序，使步骤(c)中的薄膜过滤区的废水再导回所述快混槽。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述步骤(c)排出的出流水可作为次级用水或RO纯水系统的进流水。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述步骤(c)经重力沉降后的胶羽进一步由沉淀或薄膜槽底部的污泥排出口排出。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述沉淀或薄膜槽进一步具有一抽水帮浦，是连接于所述薄膜，用以抽取经薄膜过滤的水。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述步骤(a)所导入的废水先进行快混及慢混的前处理。

21.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述废水是包含：化学机械研磨废水或浊度100～10,000NTU的原水。

22.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述废水是包含：浊度100～10,000NTU的原水。

23.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述混凝剂包含无机混凝剂或有机混凝剂。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述无机混凝剂包含多元氯化铝、硫酸铝、硫酸铁或其组合。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述有机混凝剂包含聚氯化己二烯二甲基胺。

26.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述步骤(b)进一步添加胶凝剂。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于：所述胶凝剂包含高分子聚合物。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于：所述胶凝剂包含聚丙烯醯胺。

29.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述步骤(a)调整的pH值是为3.0～7.5。

30.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述步骤(b)的胶羽大小是≥2μm的胶羽。

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