專利名稱：水中微粒去除裝置及方法
技術領域：
本發明是關于一種水中微粒的去除裝置及方法，特別是一種適用于化學機械研磨廢水或中、高濁度原水的處理裝置及方法。
背景技術：
隨著環保意識的提升及用水的需求，水處理/回收技術的開發更顯得重要。尤其，對水中含有微粒者直接應用傳統廢水處理技術，常無法有效處理或回收。以下分別說明化學機械研磨廢水與中、高濁度原水的處理方式與困難點。
在半導體制程產業，其為了提高半導體組件的精密度，必須去除組件表面凹凸和高低不平的部分以進行后續高分辨率組件圖案的制作，而其中所使用的關鍵技術即為「化學機械研磨法」(Chemical Mechanical Polishing，CMP)。「化學機械研磨法」主要是利用研磨漿液及研磨墊等化學品，配合機械研磨的動作，將IC晶圓上的介電薄膜或金屬薄膜磨平，再以大量的超純水洗凈，因此半導體產業中大約有40％的水用于CMP制程中，也產生了大量的廢水，約占制程總廢水量的15～25％。CMP制程中引入研磨母液(slurry)于晶圓表面進行研磨，研磨母液中包含約5～10％，30～100nm的研磨砥粒(包括SiO2、Al2O3、CeO2、ZrO2等)以及化學助劑(包括pH緩沖劑、氧化劑、界面活性劑)。
CMP研磨廢水中的主要成份為研磨過程中產生的氧化物微粒及研磨母液中的化學物質，其次為化學溶劑及清洗溶液。這些廢水中的懸浮微粒粒徑范圍約在50～1000nm左右。由于懸浮微粒顆粒過小，且廢水中含有分散劑，使得以傳統混凝沉淀處理的效果不佳而必須過量加藥，最終導致大量的污泥產出而造成二次污染，也使得水回收更加困難。另外，混凝處理效率不佳常使后續薄膜壽命短，增加設備操作成本。
另外，在中、高濁度原水方面，因為臺灣地區河川短小且湍急的地形條件與時常遭逢臺風、暴雨、地震等等天然因素，導致大雨夾帶大量泥沙形成高濁水，使得進入凈水場的原水濁度高達數萬NTU，常造成凈水廠停擺。這些表面水中難以沉降的懸浮固體物，其顆粒大小介于0.1nm至0.1mm之間；其中膠體(colloid)顆粒占懸浮固體物的大部分為造成水中濁度的主要來源，大小約介于1nm至1μm之間。這些顆粒表面因有機物而帶負電荷，使得懸浮液成一穩定狀態，顆粒與顆粒間因排斥力不易聚集，無法形成大顆粒通過重力作用沉降。在高濁水的情況下，由于水中顆粒濃度高，混凝操作條件不佳時，常造成沉淀效果差。
發明內容
有鑒于現有技術對于處理廢水，尤其是CMP廢水或中、高濁度原水的缺點，本發明的主要目的是提供一種水中微粒的去除裝置，其可使廢水先經過快混、慢混處理，使廢水中微粒凝集成較大膠羽后再進入一沉淀或薄膜槽，并于沉淀或薄膜槽中使膠羽沉淀后較澄清的廢水再通過薄膜過濾，以避免薄膜阻塞而無法正常運作。
本發明的另一目的是提供一種沉淀或薄膜槽，通過由該廢水處理槽中的沉淀區及薄膜過濾區的設計，使進入沉淀或薄膜槽的廢水中較大的顆粒先于沉淀區沉淀，再將沉淀后的廢水導入薄膜過濾區過濾，如此可提升薄膜使用效率及延長薄膜的使用壽命。
本發明的又一目的是提供一種水中微粒去除方法，主要是利用所述的廢水處理裝置處理，較佳是應用于CMP廢水或濁度約100～10,000NTU的中、高濁度原水，可有效提升廢水處理效率及降低裝置的耗損率。
為達上述目的，本發明是提供一種水中微粒的處理裝置，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區，用于使所述慢混槽出流水中的膠羽沉淀；及一薄膜過濾區，該薄膜過濾區包含至少一薄膜，用以過濾經所述沉淀區沉淀后的水；所述沉淀區及薄膜過濾區是由至少一隔板區隔且兩區域具有開口可相互連通，其中所述薄膜過濾區是設置于相對于沉淀或薄膜槽底一偏高處。
較佳地，本發明的水中微粒去除裝置進一步包含一回流幫浦，用以將沉淀或薄膜槽中的薄膜過濾區的水抽取至所述快混槽，使其進入下一次廢水處理程序，以獲得更凈化的水。
本發明另提供一種沉淀或薄膜槽，包含一沉淀區，用于使廢水中的雜質沉淀；及一薄膜過濾區，該薄膜過濾區包含至少一薄膜，用以過濾經所述沉淀區沉淀后的水；所述沉淀區及薄膜過濾區是由至少一隔板區隔且兩區域具有開口可相互連通，其中所述薄膜過濾區是設置于相對于沉淀或薄膜槽底一偏高處。
較佳地，所述隔板的態樣可包含單一片或復數個隔板。若為復數個隔板時，其中位于薄膜過濾區下方的隔板是可呈一傾斜設計，用以使所述薄膜過濾區沉淀的沉淀物排出而進入沉淀區排出。若為單一隔版時，該隔板相對于廢水處理槽槽壁呈傾斜狀設計，以便沉淀的膠羽排出。
另一方面，本發明提供一種水中微粒的去除方法，包含下列步驟(a)將廢水導入一快混槽，并添加混凝劑及調整pH值以去除微粒穩定性；(b)將所述步驟(a)的出流水導入一慢混槽，可添加或不添加膠凝劑使廢水中微粒形成較大膠羽(較佳為≥2μm的膠羽)；及(c)將所述步驟(b)的出流水導入一沉淀或薄膜槽，所述膠羽于沉淀或薄膜槽內的沉淀區先進行重力沉降，而槽體內較上層澄清的廢水經沉淀或薄膜槽內的薄膜過濾區的薄膜過濾后即可排出。
綜上所述，本發明的水中微粒的去除裝置及方法相較于現有技術，本發明的技術可使廢水依序經由快混、慢混程序后再將較澄清的廢水導入本發明開發的沉淀或薄膜槽，于槽中的沉淀區使膠羽進行重力沉降，之后再進入薄膜過濾區過濾成為干凈的處理水。如此可有效改善現有技術中只有單獨化混、單獨薄膜處理或離子交換法處理的不足及弊端，此外，亦可解決傳統薄膜槽常發生的薄膜阻塞的缺點。
圖1是本發明水中微粒去除裝置的結構示意圖；圖2(A)是本發明具有沉淀/薄膜過濾區的沉淀或薄膜槽的一實施態樣的結構示意圖；圖2(B)圖是本發明具有沉淀/薄膜過濾區的沉淀或薄膜槽的另一實施態樣的結構示意圖；圖3是本發明實施例一的水通量與時間的關系圖；圖4是本發明實施例一的透壓與時間的關系圖；圖5是本發明實施例一的混沉及薄膜處理后的濁度與TOC濃度圖。
主要組件符號對照說明1快混槽2慢混槽3沉淀或薄膜槽31沉淀區32薄膜過濾區33薄膜34隔板35開口36污泥排出口37曝氣管38溢流口4膠羽5抽水幫浦6回流幫浦100廢水處理裝置具體實施方式
本發明所沿用的現有技藝，在此謹作重點式的引用，以助本發明的闡述。并且下述內文中相關圖式并未依比例繪制，其作用僅在表現本發明的結構特征。
圖1是為本發明的水中微粒去除裝置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中包含一沉淀區31，用于使所述慢混槽2出流水中的膠羽4沉淀；及一薄膜過濾區32，該薄膜過濾區32包含至少一薄膜33，用以過濾經所述沉淀區31沉淀后的水；所述沉淀區31及薄膜過濾區32是由至少一隔板34區隔且兩區域具有開口(如圖2(A)或圖2(B)的開口35)可相互連通，其中所述薄膜過濾區32是設置于相對于沉淀或薄膜槽3底一偏高處。
圖2(A)是所述的沉淀或薄膜槽3的一種具體實施態樣的詳細結構示意圖，該沉淀或薄膜槽3中的復數個隔板34中位于薄膜過濾區32下方的隔板34是可呈一傾斜設計，用以使于薄膜過濾區32再沉淀的膠羽，經由開口35排出而進入沉淀區31后再經由該區的污泥排出口36排出。所述開口35的數量及位置可視需要設置于隔板34的任一處，較佳是設置于薄膜過濾區32下方的隔板34處，以便于沉淀物排出。
圖2(B)是所述的沉淀或薄膜槽3的另一種具體實施態樣的詳細結構示意圖，除了隔版34的設計不同外，其余皆與圖2(A)相同。本發明的沉淀或薄膜槽3中的隔版34設計，亦可為圖2(B)所示，僅使用單一傾斜的隔版34，區隔出沉淀區31及薄膜過濾區32。本發明隔版的設計可隨意變換使用，不受特別限制，只要能有效區隔沉淀區31及薄膜過濾區32，并可使沉淀的膠羽排出即可。
本發明使用的薄膜材質包含，但不限于不織布、陶瓷、PVDF的UF或MF膜，薄膜材質的選用，熟悉該技藝者可視實際情況，選用其適當材質的薄膜。
所述沉淀或薄膜槽3亦可具有一抽水幫浦5，是連接于所述薄膜33用以抽取經薄膜薄膜33過濾后的水。經由薄膜33過濾后的水可當作次級用水或RO純水系統的進流水。
較佳地，所述沉淀或薄膜槽3中的薄膜過濾區可進一步包含一曝氣管37作為降低雜質附著或沉積于薄膜表面之用，提升薄膜效率及延長使用時間。本發明的沉淀或薄膜槽3可進一步具有一溢流口38，其設置于薄膜過濾區32的槽體邊，可使該區過多的水排出。
再，本發明的水中微粒去除裝置進一步可包含一回流幫浦6，用以將所述薄膜過濾區32的水抽取至快混槽1，進行回流再凈化的程序，使得出流水的等級更提升。
所述圖2(A)、圖2(B)的沉淀或薄膜槽3亦可作為一廢水處理槽，其可視廢水污染的情況而單獨使用或與其它現有的廢水處理裝置搭配，以期達到最佳的處理效果。
另一方面，本發明提供一種廢水處理方法，是利用所述本發明的水中微粒去除裝置(參考圖1)。該方法首先將廢水導入一快混槽1，并添加混凝劑及調整pH值(較佳pH值為3.0～7.5)以去除微粒穩定性，所述混凝劑包含無機或有機混凝劑，其中無機混凝劑例如多元氯化鋁(PACl)、硫酸鋁、硫酸鐵等，有機混凝劑如聚氯化己二烯二甲基胺；之后將所述快混槽1的出流水導入一慢混槽2，可添加或不添加膠凝劑使廢水中膠羽形成較大膠羽，所述膠凝劑包含，但不限于，例如高分子聚合物，如聚丙烯醯胺。接下來，將所述慢混槽1的出流水導入一沉淀或薄膜槽3，于此槽中所述膠羽于沉淀或薄膜槽3內的沉淀區31先進行重力沉降，而槽體內較上層澄清的廢水經由隔板34的開口35流入沉淀或薄膜槽3內的薄膜過濾區32，再經由連接薄膜33的抽水幫浦5將該區的水經薄膜33過濾后排出。排出的水可作為次級用水或RO純水系統的進流水或其它用途。
所述pH值調控、混凝劑或膠凝劑其是熟習該項技術者可任意選用調配，并不受特別限制。
較佳地，本發明的方法可進一步可通過由一回流幫浦6，將所述薄膜過濾區32的水抽取至快混槽1，進行回流再凈化的程序，使得出流水的等級更提升而增加后續的應用價值。
以下是通過由數個實施例并配合圖式說明本發明的實施態樣，但并非用于限制本發明的申請專利范圍。
實施例實施例一、CMP混合廢水處理實驗使用小型沉淀或薄膜槽(21cm(L)×21cm(W)×60cm(H))(薄膜出水量設定為32mL/min)用以處理CMP混合廢水。此廢水濁度220～270NTU，總有機碳(total organic carbon，TOC)30～37mg/L。將CMP混合廢水置于100L塑料桶，先進行快混處理，混凝劑采用PACl。試驗期間的PACl加藥量隨著廢水而變，約1000～2800mg/L。然后再將上述塑料桶內攪拌機減速，改為慢混操作。沉淀或薄膜槽設有液位控制器可自動注入廢水。試驗時所使用的不織布薄膜為平板式(10cm×10cm)，操作時，以2.4m3/m2/d(如圖3)的通量(flux，以符號J表示)抽取混凝沉淀后的上澄液通過薄膜，透壓(transmembrane pressure，TMP)隨著時間的變化如圖4所示，經由固定時間的空氣反洗，TMP落于100～500mmHg間。圖5顯示連續7天實驗的濁度與TOC水質數據。當PACl加藥量控制不佳時，混凝后上澄液濁度曾達20NTU，使得透壓升高，但是薄膜處理水濁度皆可小于1NTU。
實施例二、高濁度原水處理實驗(未混凝前處理)本實施例是使用如圖2(A)所示的沉淀或薄膜槽處理未混凝前的原水。該沉淀或薄膜槽的結構是使用壓克力制(21cm(L)×21cm(W)×57cm(H))的方型槽，有效體積為20L，薄膜區底部安裝曝氣管，以曝氣方式(空氣流量6L/min)減少微粒于薄膜表面附著的機會。薄膜采用不織布濾材，其為開放型孔洞的網狀結構物，孔洞直徑大小均于介于30～50μm之間，為親水性材質，膜板外部尺寸長22cm、寬15cm，兩面的面積共為600m2。進流水為利用石門水庫底泥調配成高濁度原水以進行評估試驗。
操作條件為設定出流水量55mL/min，水流通量1.2m3/m2/day，連續操作期間進流水濁度4,000～10,000NTU，出流水濁度降至平均50NTU，濁度的去除率達到99％以上；出流水量在連續操作8天后仍可維持51mL/min以上，顯示純不織布膜過濾高濁度水，利用此種操作策略可以長時間操作。
實施例三、高濁度原水處理實驗(混凝前處理)使用小型沉淀/薄膜處理槽(實驗裝置規格同實施例二)進行中濁度水過濾處理試驗，欲處理水為中油桃園煉油廠已加混凝劑的中濁度水，其濁度96NTU，再經不織布膜處理，維持水流通量1.2m3/m2/day時，出流水濁度平均可降至1.3NTU，去除率平均99％。
由上述實施例結果可知，使用本發明開發的水中微粒去除裝置可使CMP混合廢水的出流水濁度平均降至1NTU以下，而中、高濁度的原水經本裝置處理后，出流水濁度最佳可降至1.3NTU，可有效去除微粒，且可解決傳統薄膜槽常發生的薄膜阻塞的缺點。
其它實施態樣本發明的實施方法已詳述于所述實施例中，任何熟悉本技術領域的人士皆可依本發明的說明，在不背離本發明的精神與范圍內視需要更動、修飾本發明，因此，其它實施態樣亦包含在本發明的申請專利范圍中。
權利要求
1.一種水中微粒去除裝置，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區，用于使所述慢混槽出流水中的膠羽沉淀；及一薄膜過濾區，該薄膜過濾區包含至少一薄膜，用以過濾經所述沉淀區沉淀后的水；所述沉淀區及薄膜過濾區是由至少一隔板區隔且兩區域具有開口可相互連通，其中所述薄膜過濾區是設置于相對于沉淀或薄膜槽底一偏高處。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述沉淀或薄膜槽進一步具有一污泥排出口，用于使沉淀的膠羽排出。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述沉淀或薄膜槽進一步具有一抽水幫浦，是連接于所述薄膜用以抽取經薄膜過濾的水。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述隔板是復數個，且該復數個隔板中位于薄膜隔離區下方的隔板是可呈一傾斜設計，用以使于所述薄膜隔離區沉淀的膠羽排出而進入沉淀區排出。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述隔板是單一隔板，該隔板相對于廢水處理槽槽壁呈傾斜狀設計，以便沉淀的膠羽排出而進入沉淀區排出。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述沉淀或薄膜槽進一步包含一曝氣管，作為降低雜質附著或沉積于薄膜表面的用。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于進一步包含一回流幫浦，用以將所述薄膜隔離區的水抽取至所述快混槽。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述薄膜的材質包含不織布、陶瓷、PVDF的UF或MF膜。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述廢水是包含化學機械研磨廢水或濁度100～10,000NTU的原水。
10.一種沉淀或薄膜槽，其特征在于，包含一沉淀區，用于使廢水中的雜質沉淀；及一薄膜過濾區，該薄膜過濾區包含至少一薄膜，用以過濾經所述沉淀區沉淀后的水；所述沉淀區及薄膜過濾區是由至少一隔板區隔且兩區域具有開口可相互連通，其中所述薄膜過濾區是設置于相對于沉淀或薄膜槽底一偏高處。
11.如權利要求10所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于進一步具有一污泥排出口，用于使沉淀的沉淀物排出。
12.如權利要求10所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于進一步具有一抽水幫浦，是連接于所述薄膜，用以抽取經薄膜過濾的水。
13.如權利要求10所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于所述隔板是為復數隔板，該復數隔板中位于薄膜隔離區下方的隔板是可呈一傾斜設計，用以使所述薄膜隔離區沉淀的沉淀物排出而進入沉淀區排出。
14.如權利要求10所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于所述隔板是單一隔板，該隔板相對于廢水處理槽槽壁呈傾斜狀設計，以便沉淀的膠羽排出而進入沉淀區排出。
15.如權利要求10所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于進一步包含一曝氣管，作為降低雜質附著或沉積于薄膜表面之用。
16.如權利要求10所述的沉淀或薄膜槽，其特征在于所述薄膜的材質包含不織布、陶瓷、PVDF的UF或MF膜。
17.一種水中微粒的去除方法，其特征在于，包含下列步驟(a)將廢水導入一快混槽，并添加混凝劑及調整pH值以去除微粒穩定性；(b)將所述步驟(a)的出流水導入一慢混槽，使廢水中微粒形成膠羽；及(c)將所述步驟(b)的流出水導入一沉淀或薄膜槽，所述膠羽于沉淀或薄膜槽內的沉淀區先進行重力沉降，而槽體內上層澄清的廢水經沉淀或薄膜槽內的薄膜過濾區的薄膜過濾后即可排出。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于可進一步增加一回流程序，使步驟(c)中的薄膜過濾區的廢水再導回所述快混槽。
19.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述步驟(c)排出的出流水可作為次級用水或RO純水系統的進流水。
20.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述步驟(c)經重力沉降后的膠羽進一步由沉淀或薄膜槽底部的污泥排出口排出。
21.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述沉淀或薄膜槽進一步具有一抽水幫浦，是連接于所述薄膜，用以抽取經薄膜過濾的水。
22.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述沉淀或薄膜槽進一步包含一曝氣管，作為降低雜質附著或沉積于薄膜表面的用。
23.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述步驟(a)所導入的廢水先進行快混及慢混的前處理。
24.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述廢水是包含化學機械研磨廢水或濁度100～10,000NTU的原水。
25.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述混凝劑包含無機混凝劑或有機混凝劑。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于所述無機混凝劑包含多元氯化鋁、硫酸鋁、硫酸鐵或其組合。
27.如權利要求25所述的方法，其特征在于所述有機混凝劑包含聚氯化己二烯二甲基胺。
28.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述步驟(b)進一步添加膠凝劑。
29.如權利要求28所述的方法，其特征在于所述膠凝劑包含高分子聚合物。
30.如權利要求28所述的方法，其特征在于所述膠凝劑包含聚丙烯醯胺。
31.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述步驟(a)調整的pH值是為3.0～7.5。
32.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述步驟(b)的膠羽大小是≥2μm的膠羽。
全文摘要
本發明是關于一種水中微粒的去除裝置及方法。該裝置包含一快混槽、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區，用于使所述慢混槽出流水中的膠羽沉淀；及一薄膜過濾區，用以過濾經所述沉淀區沉淀后的水。所述沉淀區及薄膜過濾區是由隔板區隔且兩區域具有開口可相互連通，其中所述薄膜過濾區是設置于相對于沉淀或薄膜槽底一偏高處。本發明的處理裝置較佳是用于處理例如化學機械研磨(CMP)廢水或中、高濁度的原水。
文檔編號B01D21/02GK1962018SQ200510115880
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月10日 優先權日2005年11月10日
發明者游惠宋, 周珊珊, 江萬豪, 朱振華, 黃志彬, 廖啟鐘, 洪仁陽, 鄒文源, 張王冠, 楊惠玲 申請人:財團法人工業技術研究院