TWI286998B - Equipment for treating wastewater - Google Patents

Description

1286998 13578twfl.doc/006 96-6-23 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種廢水處理設備，且特別是有關於 一種可有效將廢水中之帶有高表面電荷之顆粒收集的廢水 處理設備。 【先前技術】 近年來由於1C產業之蓬勃發展，晶圓的製作逐漸朝 向高密度、高積集和高度機能之導向邁進，在追求高密度 及導線多層化之趨勢中，因考慮製程中投影曝光之解析度 及焦點景深問題，全面平坦化乃是必要的。目前全面平坦 化皆是以化學機械硏磨（Chemical Mechanical Polishing, CMP)技術來達成，然而，CMP製程中會耗費大量的超純 水，因此含有硏磨液之廢水即隨之產生。由於硏磨廢水中 含有許多奈米級之膠體顆粒，這些顆粒具有高表面電荷且 懸浮性極爲穩定，造成廢水處理上的困難。雖然硏磨廢水 經稀釋後，可滿足放流水的總懸浮固體的濃度標準，但是 廢水中之含矽、鋁、鎢等微細硏磨粒子長期堆積於污水場， 會造成污水場處理功能下降，嚴重時更可能使污水場中之 生物處理單元完全失效。 在目前國內、外相關光電與半導體產業採用之硏磨廢 水方式不外乎採用化學混凝法及薄膜過濾法。其中化學混 凝法爲去除水中懸浮及膠體顆粒的傳統技術，其去除機制 係利用添加無機鹽類混凝劑的方式，將微小粒子凝聚成大 顆粒，再以重力的方式沈降，此技術最大的缺點在於因爲 硏磨廢水之性質普遍有不穩定的狀況，包括成分組成、濁 5 1286998 96-6-23 13578twfl.doc/006 度、導電度等性質，因此容易造成化學混凝過程中加藥量 準確性不易掌握，使混凝沈澱之效果不佳。此外，採用化 學混凝法還具有需先去除CMP廢液中之氧化劑、佔地空間 大、設計彈性小及會產生大量污泥等缺點。 而薄膜過濾法已廣泛的運用在去除膠體微粒、微生 物、自然有機物或其他無機離子污染物，其去除機制乃是 利用外加之壓力，使水分子能穿透薄膜，留下大分子的污 染物，此技術最大的缺點在於雖可有效分離水中之微粒， 惟其內孔一旦阻塞，常因無法有效清洗，使薄膜的使用壽 命大幅減少。此外，採用薄膜過濾法還具有分離之顆粒大 小必需控制得當及不適於處理大量或高濃度微粒之硏磨廢 水等缺點。 爲了能解決上述之技術缺點，習知技術更提出一種利 用電化學反應，使電場引發之電泳效應與犧牲電極 (sacrificial electrode)誘導之混凝效應同時作用，以將廢 水中具有高表面電荷之顆粒分離。電化學反應主要可分爲 電解混凝 （Electro-coagulation ) 與電層析 (Electro-decantation)兩種現象，電解混凝過程乃是利用 電場形成，使顆粒間因電性相吸作用而進行聚集，而正電 極板經電解氧化後釋出金屬鹽，使聚集的顆粒因混凝機制 而去除。而在電析層中，也是利用電場環境下，將帶電顆 粒移向正電極之電泳行爲，而在極板附近形成高濃度的聚 集，且當聚集濃度到達一定程度之後，其顆粒便沿著極板 而沈積於電解槽底部。 請參考中華民國公告號第144872號「電化學法處理 1286998 13578twfl.doc/006 96-6-23 工業廢水之連續操作電解裝置」之專利案，此電解裝置主 要包括一電解槽，其內設置若干平行間隔排列正負極相間 之電極板，電解槽兩端各有一進水口及一出水口，可令液 體自進水口進入電解槽流經各電極板而從出水口流出，其 主要在每二相鄰極板之間設置有刮除元件，各刮除元件可 受一部份設於電解槽內之重覆驅動機構之驅動，而在各極 板板面上重覆移動以刮掃極板板面者。値得注意的是，由 於上述之電極板係爲圓形極板，且流體是經由極板中央之 圓形通孔流過，如此之設計會導致流體流過與極板接觸的 機會較小。此外，極板週緣與電解槽內壁呈封閉狀態，而 會導致極板不易拆裝。另外，在電解槽內配置刮除元件及 重覆驅動機構雖可達到刮除污泥的目的，但複雜的機械設 計將導致整個處理設備成本的提高。 接著’請參考美國專利第6,582,592號「Apparatus for removing dissolved metals form wastewater by electro-coagulation」之專利案，此裝置主要在一電混凝反 應槽內配置多個電極板，使反應槽形成上下貫穿之流道， 電極板接連電源供應器，藉由電源供應器提供正負電流使 電極板間形成電場，以將電極表面離子化後，與流經之廢 水反應。此外，並在反應槽外之出流端配置一離心濾器 (cyclone filter)，以離心的方式將膠體顆粒分離。値得注 意的是，膠體顆粒係由廢水的流動帶出反應槽，再利用離 心濾器將膠體顆粒分離，換言之，反應槽內並無可直接將 膠體顆粒分離的裝置。此外，離心濾器內部複雜的機械設 計，同樣會導致整個處理設備成本的提高。 1286998 13578twfl.doc/006 96-6-23 【發明內容】 因此，本發明的目的就是在提供一種廢水處理設備， 係利用電混凝及電層析之電化學作用，並藉由在反應槽底 部配置一收集裝置，以將廢水中之帶有高表面電荷之膠體 顆粒收集，進而使經處理後之放流水符合排放標準。 基於上述之目的，本發明提出一種廢水處理設備，適 於處理一廢水，此廢水處理設備主要係由一反應槽、多數 個正電極板、多數個負電極板、一電源供應器及一收集裝 置所構成。反應槽具有一進流口及一出流口，其中進流口 及出流口分別配置在反應槽的兩相對應側壁上。正電極板 與負電極板配置於反應槽內，且正電極板與負電極板係間 隔交替排列且部分重疊，使廢水進入反應槽後在正電極板 與負電極板之間的會形成一上下流的流況。電源供應器係 與正電極板與負電極板電性連接，且電源供應器適於提供 正電流至正電極板以及提供負電流至負電極板。收集裝置 配置於反應槽之底部，用以收集廢水中之膠體顆粒。 在本發明的較佳實施例中，上述收集裝置例如是由多 數個錐形體及多數個開關閥所構成，其中錐形體之頂部係 與反應槽連通，而開關閥配置於對應之錐形體的底部。此 外，上述收集裝置亦可例如是由多數個收集管路、多數開 關閥及幫浦所構成。收集管路係與該反應槽連通，開關閥 配置於對應之收集管路上，而幫浦係與收集管路連接。 在本發明的較佳實施例中，反應槽之兩相對的側壁上 具有多數個第一插槽及多數個第二插槽，分別提供正電極 板及負電極板插置，這些插槽以提供該些正、負電極板更 8 1286998 13578twfl .doc/006 96-6-23 換使用。此外，第一插槽係設計延伸至反應槽之底緣，而 第二插槽則設計未延伸至反應槽之底緣，如此一來，當正、 負電極板分別插置於第一插槽及第二插槽時，正、負電極 板之間的流道會形成一上下流的流況，以增加水體流動的 擾動情況及顆粒接觸電極板的機會。 在本發明的較佳實施例中，進流口之位置高於出流口 的位置。此外，反應槽具有一操作水位，此操作水位的高 度介於第一插槽及第二插槽之間，以維持設備的穩定。另 外，反應槽具有一沈澱高度，此沈澱高度低於出流口的高 度，以防止出流時，由於水流動之牽引力將電解混凝時底 層沈澱的膠羽或是電解層析時底部的濃縮液和出流水一起 流出。 在本發明的較佳實施例中，當廢水處理裝置欲同時進 行電混凝及電層析之電化學作用，上述正電極板例如是鐵 板或鋁板，負電極板例如是不鏽鋼板。而當廢水處理裝置 僅進行電層析之電化學作用，上述正電極板及負電極板例 如不鏽鋼板。 在本發明的較佳實施例中，反應槽之寬度/高度的比値 介於1.0〜2.0之間。正電極板與負電極之間的距離介於2 〜15公分。電源供應器提供之電流密度介於1 .〇〜 500mA/cm2 〇 在本發明的較佳實施例中，上述廢水處理設備更包括 一進流管路，其一端與反應槽之進流口連接，另一端則與 一廢水收集槽。此外，進流管路上更配置有一幫浦，以將 廢水不斷抽入反應槽內，而達連續式處理之目的。另外， 1286998 13 578twfl · doc/006 96-6-23 進流管路上更配置一開關閥，且此開關閥位於幫浦與反應 槽之間。再者，幫浦更與一自動控制器電性連接，且此自 動控制器適於偵測反應槽內之水位、壓力或酸鹼値，以控 制幫浦的抽水量。 在本發明的較佳實施例中，上述廢水處理設備更包括 一出流管路，其一端與反應槽之出流口連接，另一端則與 一出流收集槽連接。此外，出流管路上更配置一開關閥。 另外，反應槽之頂部更配置有一抽氣裝置，適於將廢水中 之水分子經電解後在兩電極板所產生之氫氣及氧氣抽離。 本發明主要利用電混凝及電層析之電化學作用，以將 廢水與廢水中帶有高表面電荷之膠體顆粒分離，並藉由在 反應槽底部所配置之收集裝置，以將沈積於反應槽底部之 膠體或顆粒收集，進而使經處理後之放流水符合排放標準。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下。 【實施方式】 請參照圖1，其繪示依照本發明一較佳實施例的一種 廢水處理設備的示意圖。本實施例之廢水處理裝置100,適 於處理一具有高表面電荷及懸浮性穩定特性的奈米級顆粒 之廢水，此廢水處理設備100主要係由一反應槽110、多數 個正電極板120、多數個負電極板130、一電源供應器140 及一收集裝置150所構成。 反應槽110具有一進流口 111及一出流口 112，且反 應槽110之進流口 111更連接一進流管路160,且此進流管 10 96-6-23 1286998 13578twfl.doc/006 路160另一端則與一廢水收集槽10。此外，進流管路160 上更配置有一幫浦162，以將廢水收集槽1〇內之廢水不斷 抽入反應槽110，而可達到連續式處理之目的。另外’進流 管路160上更配置有一開關閥164,且此開關閥I64位於幫 浦162與反應槽110之間，用以控制廢水可否流入反應槽 110內。再者，反應槽110之出流口 112更連接一出流管路 170,此出流管路170之另一端則與一出流收集槽20連接’ 且此出流管路170上更配置一開關閥172,用以控制廢水可 否由反應槽110流出。 正電極板120與負電極板130配置於反應槽11〇內’ 其中正電極板120例如是鐵板或鋁板，負電極板130例如 是不鏽鋼板，而正電極板12〇與負電極板13〇是彼此交錯 排列。以本實施例而言，例如是在反應槽110之兩相對的 側壁上設計多數個第一插槽113及多數個第二插槽114,分 別提供正電極板120及負電極板130插置，這些插槽113、 114將可使該些正、負電極板120、130能更換使用。 此外，値得注意的是，第一插槽113係設計延伸至反 應槽110之底緣，而第二插槽114則設計未延伸至反應槽 110之底緣，如此一來，當正、負電極板120、130分別插 置於第一插槽113及第二插槽114時，正、負電極板120、 130之間形成的流道即會產生一上下流的流況，以增加廢水 流動的擾動情況及顆粒接觸電極板的機會。另外，反應槽 110之寬度/高度的比値介於1.0〜2.0之間，而反應槽11〇 之長度則視正、負電極板120、130的數目而定。 電源供應器140係與正電極板12〇與負電極板130電 1286998 13578twfl · doc/006 96-6-23 性連接，且電源供應器140適於提供正電流至正電極板120 以及提供負電流至負電極板130,以使正電極板120與負電 極板130產生偶極化之電場。此外，電源供應器140提供 之電流密度例如是介於1.0〜500mA/cm2，而正電極板120 與負電極板130之間的距離例如是介於2〜15公分。 收集裝置150配置於反應槽110之底部，用以收集廢 水中之膠體顆粒。以本實施例而言，收集裝置15〇例如是 由多數個錐形體152及多數個開關閥154所構成，其中錐 形體152之頂部係與反應槽110連通，而開關閥154配置 於對應之錐形體152的底部。 請繼續參閱圖1，當廢水通過流道之電場時，廢水中 表面帶有高電荷之顆粒會因與極板之反電性相吸而移動， 此帶電顆粒移向電極板之電泳現象，會在極板附近形成局 部高濃度的聚集，當聚集濃度到達一定程度之後，其顆粒 便會沿極板而沈積至反應槽110底部，而由收集裝置150 收集。在此同時正電極板12〇 (如鐵板、鋁板）也會因電解 氧化釋出金屬離子（如鐵、鋁離子），並在水中迅速形成 金屬氧化物，使聚集的顆粒因混凝機制而同樣地沈積至反 應槽no底部，而由收集裝置150收集。換句話說，本實 施例之反應槽110中在廢水流經電場時，同時產生電解混 凝與電層析的現象，而達到膠體顆粒沈積至反應槽110底 部的效果。 値得注意的是，本實施例收集裝置150之錐形體152 的設計，可使因電解混凝所產生之膠羽或電層析濃縮之顆 粒更容易被收集，當需要移除沈澱物時，首先，需將廢水 12 1286998 96-6-23 13578twfl.doc/006 進流與出流之開關閥164、172關閉，接著開啓開關閥154， 以使污泥可由反應槽110中移出，而收集至一污泥收集槽 3〇中。此外，在電解混凝的過程中，可將電源供應器140 之正負極反接，以幫助累積在正電極板120上不易剝落之 附著物。因此，由反應槽110之出流口 112所流出之放流 水能夠符合排放的標準。 承上所述，爲了使廢水在反應槽110內流動更爲順 暢，可將進流口 111之位置設計高於出流口 112的位置。 此外’流入反應槽110之廢水具有一1操作水位A，並將此 操作水位A的高度保持在進流口 111及出流口 112之間， 以維持設備的穩定。另外，沈澱物沈積於反應槽之底部具 有一沈澱高度B，並將此沈澱高度B設計低於出流口 112 的高度，以防止出流時，由於水流動之牽引力將電解混凝 時底層沈澱的膠羽或是電解層析時底部的濃縮液和出流水 一起流出。 再者，爲了控制進流管路160上之幫浦170的抽水 量，更可增加配置一自動控制器180,此自動控制器180 並與幫浦170電性連接，且此自動控制器180具有感測元 件可偵測反應槽110內之水位、壓力或酸鹼値等。當自動 控制器180之感測元件偵測反應槽110內之水位、壓力或 酸鹼値有變化時，自動控制器180則可適時調整幫浦170 的抽水量，以維持設備的穩定。當然，熟悉該項技術者應 知，自動控制器180亦可與開關閥154電性連接，藉由自 動控制器控制開關閥154的啓閉，以達全面自動化的目的。 此外，由於當廢水通過流道之電場時，廢水中之水分 13 1286998 13578twfl.doc/006 96-6-23 子分別會在正極板120與負極板130產生氫氣與氧氣，爲 了避免該些氣體影響設備的穩定性，更可在反應槽110之 頂部配置一抽氣裝置190，以將該些氣體抽離。 請參照圖2,其繪示依照本發明另一較佳實施例的一 種廢水處理設備的示意圖。本實施例之廢水處理設備 100’ ’其主要結構與上述之實施例大致相同，相同處即不 贅述’而其相異處在於收集裝置150係改由多數個收集管 路156、多數開關閥157及幫浦158所構成。其中收集管路 156係與反應槽n〇連通，開關閥157配置於對應之收集管 路156上’而幫浦ι58係與收集管路156連接。當需要移 除沈澱物時，開啓開關閥157及幫浦158，並直接將污泥由 反應槽110內抽出，並經收集管路156將污泥送至污泥收 集槽30中。 承上所述，本發明主要利用電混凝及電層析之電化 學作用’以將廢水與廢水中帶有高表面電荷之膠體顆粒分 離’並藉由在反應槽底部所配置之收集裝置，以將沈積於 反應槽底部之膠體或顆粒收集，進而使經處理後之放流水 符合排放標準。而上述實施例中，廢水處理裝置係同時進 行電混凝及電層析之電化學作用，以達到處理廢水之目 的。然而，熟悉該項技術者應知，本發明之廢水處理裝置 無須侷限同時進行電混凝及電層析兩種之電化學反應，亦 可單純進行電層析之電化學反應，換言之，當廢水處理裝 置僅進行電層析之電化學作用，上述正電極板及負電極板 皆可採用不鏽鋼板。 綜上所述，本發明之廢水處理裝置至少具有下列優 14 1286998 96-6-23 13578twfl.doc/006

1.本發明利用電混凝及電層析之電化學作用，可分離 廢水中之奈米級的膠體顆粒。 2·本發明藉由在反應槽底部配置收集裝置，使沈降於 反應槽底部之沈澱物可直接被移除，且收集裝置結構簡 單，故整體處理設備的成本可下降。 3·本發明藉由將電源供應器之正負極反接的方式，以 幫助累積在正電極板上不易剝落之附著物，故無須配置機 械複雜性高的刮除元件。 4·本發明之正、負電極板之間形成的流道爲一上下流 的流況設計，可增加廢水流動的擾動情況及顆粒接觸電極 板的機會。 5·本發明之反應槽側壁的溝槽設計，可使正、負電極 板能更換使用，而達到易於拆裝的目的。 6·本發明之廢水處理裝置可處理半導體、電子、光電 產業、晶圓加工及表面拋光製程領域中所產生之具高電荷 顆粒的廢水，其實用性高。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 【圖式簡單說明】 圖1是繪示依照本發明一較佳實施例的一種廢水處理 設備的示意圖。 圖2是繪示依照本發明另一較佳實施例的一種廢水處 1286998 13578twfl. doc/006 96-6-23 理設備的示意圖。 【圖式標示說明】 10 :廢水收集槽 20 :出流收集槽 30 :污泥收集槽 100、100’ ：廢水處理設備 110反應槽 111 :進流口 112 :出流口 113 :第一插槽 114 :第二插槽 120 :正電極板 130 :負電極板 140 :電源供應器 150 :收集裝置 152 :錐形體 154 :開關閥 156 :收集管路 157 :開關閥 158 :幫浦 160 :進流管路 162 :幫浦 164 :開關閥 170 :出流管路 172 :開關閥 16 1286998 13578twfl.doc/006 180 :自動控制器 190 :抽氣裝置 A:操作水位 B:沈澱高度 17

Claims (1)

1286998 13 578twfl .doc/006 96-6-23 十、申請專利範園： 1. 一種廢水處理設備，適於處理一廢水，該廢水處理 設備包括= 一反應槽，具有一進流口及一出流口，其中該進流口 及該出流口分別配置在該反應槽的兩相對應側壁上； 多數個正電極板，配置於該反應槽內； 多數個負電極板，配置於該反應槽內，其中該些正電 極板與該些負電極板係間隔交替排列且部分重疊，使廢水 進入該反應槽後在該些正電極板與該些負電極板之間的 會形成一上下流的流況； 一電源供應器，係與該些正電極板與該些負電極板電 性連接，其中該電源供應器適於提供正電流至該些正極 板，以及提供負電流至該些負電極板；以及 一收集裝置，配置於該反應槽之底部，用以收集該廢 水中之膠體顆粒。 2. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該收集裝置包括= 多數個錐形體，該些錐形體之頂部係與該反應槽連 通；以及 多數個開關閥，每一該些開關閥配置於該些錐形體其 中之一之底部。 3. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該收集裝置包括z 多數個收集管路，係與該反應槽連通； 多數個開關閥，每一該些開關閥配置於該些收集管路 18 96-6-23 1286998 13578twfl.doc/006 其中之一^上；以及 一幫浦，係與該些收集管路連接。 4. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備’其ψ 該反應槽之兩相對的側壁上具有多數個第一插槽及多數個 第二插槽，分別提供該些正電極板及該些負電極板插置’ 且該些第一插槽係延伸至該反應槽之底緣，而該些第二插 槽未延伸至該反應槽之底緣。 5. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備’其中 該反應槽之寬度/高度的比値介於1.0〜2.0之間。 6. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該進流口之位置高於該出流口的位置。 7. 如申請專利範圍第4項所述之廢水處理設備’其中 該反應槽具有一操作水位，該操作水位的高度維持於該些 第一插槽及該些第二插槽之間。 8. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該反應槽具有一沈澱高度，該沈澱高度低於該出流口的高 度。 9. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該些正電極板係爲鐵板及鋁板其中之一，而該些負電極板 係爲不鏽鋼板。 10. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該些正電極板及該些負電極板係爲不鏽鋼板。 11. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備’其中 每一該些正電極板與該些負電極其中之一之間的距離介於 2〜15公分。 19 1286998 13578twfl.doc/006 96-6-23 12. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，其中 該電源供應器提供之電流密度介於1.0〜500mA/cm2。 13. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，更包 括一進流管路，其一端與該反應槽之該進流口連接。 14. 如申請專利範圍第13項所述之廢水處理設備，更 包括一幫浦，配置於該進流管路上，以將該廢水抽入該反 應槽內。 15. 如申請專利範圍第14項所述之廢水處理設備，更 包括一開關閥，配置於該進流管路上，且位於該幫浦與該 反應槽之間。 16. 如申請專利範圍第14項所述之廢水處理設備，更 包括一自動控制器，係與該幫浦電性連接，且該自動控制 器適於偵測該反應槽內之水位、壓力或酸鹼値，以控制該 幫浦的抽水量。 17. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，更包 括一出流管路，其一端與該反應槽之該出流口連接。 18. 如申請專利範圍第17項所述之廢水處理設備，更 包括一開關閥，該開關閥配置於該出流管路上。 19. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理設備，更包 括一抽氣裝置，配置於該反應槽之頂部。 20 1286998 96-6-23 13578twfl.doc/006 七、指定代表圈： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 100 :廢水處理設備 110 :反應槽 111 :進流口 112 :出流口 120 :正電極板 130 :負電極板 140 :電源供應器 150 :收集裝置 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化 學式：