半导体行业废水处理工程实例与效果分析

近年来，半导体产业作为我国的战略性发展产业，正处于高速发展阶段。《“十四五”国家信息化规划》指出，在完成信息领域核心技术突破的同时，也要加快集成电路关键技术攻关。伴随而来的半导体行业废水处理成为制约该行业发展的关键因素之一。半导体行业生产工艺主要产生含氟废水、含磷废水、含氨废水、重金属废水、有机废水与酸碱废水等。该行业废水水量大，水质复杂，携带大量重金属、有毒氰化物、氮、磷等污染物，有机物浓度高，且往往是四甲基氢氧化铵、光刻胶等物质废水，可生化性差，难以直接采用生物方法处理。

污水处理厂是产业园区建设必要的基础设施之一，随着国内大量半导体产业园区的建设，半导体行业废水处理工艺成为园区污水处理厂建设的重点内容。本项目以某高新技术产业园区配套建设的总规模为5万m ³ /d的污水处理厂为例，该污水处理厂采用“高效沉淀池+改良型A2/O+MBR”的主体处理工艺，分析了该工艺对废水中悬浮物、COD、 NH ₄ ⁺ -N、TN、TP和氟化物的去除效果，并计算了建设与运行成本，以期为同类型污水处理厂设计提供参考

1.1 设计进出水水质

园区的主导产业为化合物半导体产业，包括半导体材料和半导体器件的生产与制造等，产生的废水主要有含氟废水、含氨废水和有机废水。

含氟废水是半导体制造业产生的主要污染废水，间接排放标准为20 mg/L；含氨废水一般在企业内部采用吹脱法将NH ₄ ⁺ -N降至100 mg/L以下；半导体行业生产过程中用到大量有机溶剂，但有机废水由于排水量大，COD相对较低。

污水处理厂设计出水水质需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A类标准。污水处理厂进出水水质见表1。

表1 设计进出水水质

1.2 设计思路及工艺路线

污水处理厂进水主要有含氟废水、含氨废水和有机废水，具有可生化性差、C/N低的特点，同时清洗废水中还含有少量石油类油脂，进入生化系统会抑制微生物活性。目前国内60%以上的污水处理厂采用A2/O工艺脱氮除磷，但对于低C/N污水，传统A2/O工艺主要依靠污泥回流及硝化液回流去除硝态氮，好氧池出水总氮理论上不能完全被去除，在实际运行中存在污泥龄矛盾和碳源竞争，脱氮除磷效率不高。而A2/O与MBR组合工艺具有出水水质稳定、污染物去除率高、能解决脱氮除磷时二者污泥龄不同的矛盾等优势，被广泛应用于国内外污水处理中。

针对废水特点，污水处理厂预处理段采用曝气沉砂池重点去除废水中的砂类和油脂，采用高效沉淀池重点去除废水中的氟化物；主体工艺采用A2/O+MBR工艺，提高活性污泥微生物浓度和活性，使可生化性差、C/N低的废水处理达标后排放，并在A2/O和MBR中间增加后置缺氧池等改良措施，从理论上提高工艺的脱氮效率。

整体废水处理工艺流程见图1。

图1 废水处理工艺流程

废水处理工艺可分为预处理区（粗格栅池至精细格栅池）、生化处理区及后续消毒区。预处理区采用粗、细格栅双层拦截，可有效去除进水中粒径较大的悬浮物。细格栅出水进入曝气沉砂池，由于流速变小，剩余砂粒在涡旋运动和重力作用下逐渐沉降到集砂池，通过吸砂机吸出；同时，池底布置的穿孔曝气管产生大量微小气泡附着在废水中的油粒表面，油粒自身浮力增大后逐渐上升，漂浮在水面便于油水分离，可有效去除废水中的油类、砂粒等污染物。

曝气沉砂池出水进入高效沉淀池，高效沉淀池前端设置凝聚池和絮凝池，分别投加PAC和PAM，后端设置沉淀池进行泥水分离，可将废水中的悬浮物、氟化物、TP及重金属等污染物有效去除，保证后续生化反应的稳定运行。

预处理区末端还设置精细格栅池，可去除粒径在1 mm以上的悬浮物，有效延缓后续MBR池中膜组件污染。

生化处理区采用改良型A2/O和MBR的结合工艺。废水进入生化处理区后，依次进入厌氧池、缺氧池1、好氧池、缺氧池2和MBR池。

MBR池池底设置污泥回流管将污泥回流至厌氧池，好氧池设置硝化液回流管将硝化液回流至缺氧池。MBR池由于NO ₃ ^- -N极少，污泥回流后厌氧池内NO ₃ ^- -N浓度较低，减少了对聚磷菌的抑制作用，保证了聚磷菌的释磷效果，废水进入MBR池后，在好氧条件下聚磷菌重新吸收磷，TP随剩余污泥排放去除。

废水中的NH ₄ ⁺ -N在好氧池完成硝化反应，转化为NO ₃ ^- -N，随后通过硝化液回流至缺氧池1，利用进水中的碳源，在反硝化菌作用下生成N ₂ 排出；为进一步去除废水中的NO ₃ ^- -N，好氧池出水进入缺氧池2再次进行反硝化反应，保证出水TN达标。由于废水中COD在好氧池内消耗殆尽，需向缺氧池2补充适量碳源。

改良型A2/O池出水进入MBR池，利用膜组件的高效截留作用进行泥水分离，同时有效截留大分子有机物。膜组件的高效截留作用可实现SRT（污泥停留时间）与HRT（水力停留时间）的彻底分离，使硝化细菌得以富集并成为优势菌种，硝化能力逐渐增强。

MBR池出水进入接触消毒池，通过次氯酸钠溶液消毒，保证出水中微生物含量降低至标准水平以下。最后，废水通过巴氏计量槽计量后直接排放至周围河道。

2.1 粗格栅及提升泵房

粗格栅及提升泵房1座，设计规模按5万m ³ /d，钢筋混凝土结构，其中粗格栅池总尺寸12.7 m×4.0 m×9.3 m，分2组，提升泵房尺寸10.7 m×8.0 m×9.3 m。

配套机械格栅2台，栅宽B=1 580 mm，栅隙b=20 mm，N=1.5 kW；栅渣输送机1台，B=500 mm，N=1.5 kW；潜污泵5台，Q=800 m ³ /h，H=15 m，N=55 kW；电动葫芦1套，G=2 t，提升高度16 m，N=0.8 kW。

2.2 细格栅及曝气沉砂池

细格栅及曝气沉砂池1座，设计规模按5万m ³ /d，钢筋混凝土结构，其中细格栅池总尺寸8.3 m×4.6 m×1.70 m，曝气沉砂池尺寸27 m×9.2 m×5.6 m，分2组，曝气沉砂池总有效容积约520 m ³ ，HRT约15 min。

配套机械格栅2台，栅宽B=2.0 m，栅隙b=5 mm，N=1.5 kW；栅渣输送机1台，B=500 mm，N=1.5 kW；桥式吸砂机2台，单台跨距L=4.3 m，N=4 kW；砂水分离器1台，Q=12~20 L/s，N=0.37 kW；罗茨鼓风机2台，Q=30 m ³ /min，N=30 kW，P=34.5 kPa，1用1备。

2.3 高效沉淀池

高效沉淀池2座，单座设计规模按2.5万m ³ /d，钢筋混凝土结构。单座高效沉淀池中混凝池尺寸2.8 m×2.8 m×7.7 m，有效容积约51 m ³ ，HRT约3.0 min；

絮凝池分2组，单组尺寸4.5 m×4.0 m×7.4 m，总有效容积约230 m ³ ，HRT约13 min；沉淀池分2组，单组内径D=9 m，总高度H=7.4 m，表面负荷q=8.2 m ³ /（m ² ·h），沉淀时间约30 min，污泥回流量约300%。

单座高效沉淀池配套混合搅拌机1台，N=11.0 kW；絮凝搅拌机2台，直径D=1.2 m，N=2.2 kW；污泥回流泵4台，Q=41 m ³ /h，H=20 m，N=7.5 kW，2用2备。

2.4 精细格栅池

精细格栅池1座，设计规模按5万m ³ /d，钢筋混凝土结构，总尺寸13.7 m×4.6 m×4.0 m，分2组。配套内进流式孔板精细格栅2台，栅宽B=2 m，栅隙b=1 mm，N=2.2 kW；栅渣清洗压榨机槽宽b=350 mm，P=2.2 kW，排渣高度1.6 m，配备1套恒高压冲洗系统。

2.5 改良型A2/O及MBR池

改良型A2/O及MBR池共2座，单座设计规模按2.5万m ³ /d，钢筋混凝土结构，总尺寸147.0 m×37.5 m×5.2 m。单座改良型A2/O及MBR池包括厌氧池、缺氧池1、好氧池、缺氧池2及MBR池，有效容积分别为1 550、4 000、12 230、2 890、800 m ³ ，HRT分别为1.5、3.8、11.7、2.8、0.8 h。单座配套硝化液回流泵3台，Q=724 L/s，H=0.8 m，N=15 kW，2用1备；产水泵6台，Q=334 m ³ /h，H=10 m，N=15 kW；剩余污泥泵2台，Q=35 m ³ /h，H=16 m，N=3.7 kW；PVDF中空纤维内衬膜膜组器25组，单组平均产水量1 000 m ³ /d。

2.6 接触消毒池

接触消毒池1座，设计规模按5万m ³ /d，钢筋混凝土结构，总尺寸16.7 m×24.5 m×3.5 m，有效容积约1 415 m ³ ，HRT约30 min。

3.1 运行效果

目前，污水处理厂经调试后投产运营，运营前5个月改良型A2/O及MBR池MLSS稳定在3 000 mg/L，好氧池DO稳定在2 mg/L，污泥龄约20 d，污泥回流比和硝化液回流比分别为100%和300%，出水水质稳定达到GB 18918—2002一级A类标准。

投产运营后污水处理厂对污染物的处理效果见图2。

图2 污水处理厂运营后对污染物去除效果

由图2（a）可知，进水悬浮物质量浓度不稳定，在60~120 mg/L之间波动，可能是园区刚建成不久，各企业未达到预定产能，预处理构筑物均低负荷运行所致。但污水处理厂出水悬浮物均保持在4 mg/L以下，去除率高达94%以上，满足设计出水标准。预处理段采用了高效沉淀池，可去除废水中大部分悬浮物；又采用MBR工艺代替传统二沉池进行泥水分离，膜组件的高效截留作用使出水悬浮物含量保持在较低水平，水质清澈。

由图2（b）可知，污水处理厂进水COD在80~140 mg/L，主要是四甲基氢氧化铵、光刻胶等难被生物利用的有机物，可生化性差。出水COD始终稳定在26 mg/L以下，远远低于50 mg/L的排放限值。原因在于污水处理厂生化池总HRT约20.8 h，污泥负荷较低；同时，MBR膜组件的高效截留作用使微生物不随出水流失，增大了生化系统中的MLVSS；此外，废水中的大分子有机物也被膜组件截留，导致出水COD较低。

如图2（c）所示，虽然进水NH ₄ ⁺ -N逐渐升高，但出水NH ₄ ⁺ -N始终维持在1 mg/L，远低于5 mg/L的排放限值，符合设计要求。污水处理厂生化池污泥负荷较低，MBR膜组件能有效避免系统中微生物流失，使世代时间较长的硝化细菌得以富集成为优势菌种，硝化能力逐渐增强。

由图2（d）可知，进水TN基本维持在17~26 mg/L，但出水TN维持在3~8 mg/L，符合设计标准。TN去除率基本维持在70%~85%，略高于朱宁伟等研究的采用A2/O+MBR工艺的污水处理厂对TN的去除率。原因在于生化系统不仅设置回流比为300%的硝化液回流系统，还在好氧池后设置了缺氧池，可将好氧池内剩余的NO3 --N充分进行反硝化反应，降低出水TN。

由图2（e）可知，进水TP在0.5~2.2 mg/L之间波动，但出水TP始终保持在0.1 mg/L以下，远低于设计出水标准。原因在于预处理段采用高效沉淀池，通过投加混凝剂将废水中大量磷以沉淀方式排出；同时MBR膜组件的过滤作用使废水中悬浮物大大减少，出水TP稳定在较低水平。

由图2（f）可知，进水氟化物质量浓度在3 mg/L以下，出水氟化物质量浓度维持在1.5 mg/L以下，符合设计出水标准，但氟化物去除率在50%~95%，波动幅度较大。原因在于运行期间进水氟化物浓度较低，预处理区高效沉淀池未能按高负荷设计工况运行，导致氟化物去除率不稳定，但出水浓度始终稳定达标。

3.2 经济分析

污水处理厂一期工程费用约11 047.5万元，其中建筑工程费用5 714.8万元，设备和安装费用5 332.7万元。水处理平均电耗约1.0 kW·h/m ³ ，电价按照0.536元/（kW·h）计算，则电费约0.536元/m ³ 。生产药剂包括PAC、PAM、乙酸钠、片碱、次氯酸钠，药剂费用约0.220元/m ³ 。本项目直接运行成本为电费+药剂费，直接运行成本约0.756元/m ³ 。

1）采用改良型A2/O+MBR主体工艺处理半导体行业废水。利用厌氧池、缺氧池1和好氧池对污水进行生化处理，后置缺氧池2增强了对NO ₃ ^- -N和TN的去除效果，同时避免了污泥回流后厌氧池内NO ₃ ^- -N含量太高抑制聚磷菌的活性，增强了对TP的去除效果；MBR膜组件的高效截留作用能有效去除废水中的悬浮物和TP，同时截留大量微生物，保证污泥活性，增强对COD、NH ₄ ⁺ -N和TN的去除效果，使污水处理厂出水水质稳定达到GB 18918—2002一级A类标准。

2）预处理区采用的高效沉淀池工艺能有效去除进水中的氟化物等抑制污泥活性的污染物，保证A2/O+MBR池内的污泥高效稳定运行，使出水达到排放标准。

3）水处理平均电耗约1.0 kW·h/m ³ ，折合电费约0.536元/m ³ ，药剂费用约0.220元/m ³ ，直接运行成本约0.756元/m ³ 。

（来源： 《工业水处理》2024年第9期）