申请日1996.08.16
公开(公告)日1997.04.09
IPC分类号C02F1/42; C02F1/52
摘要
本发明提供了一种处理后的水可用作超纯水生产装置原水，而无需添加各种化学物质的水处理装置。该装置包括一个接收碱水或酸水的第一水池，一个对来自第一水池的废水进行固-液分离的第二水池，一个装有离子交换树脂和曝气管的离子交换塔，一个沉淀离子交换树脂的沉淀池，一个将离子交换树脂从沉淀池输送的第一水池的空气提升泵，一个将离子交换树脂从第二水池返回到离子交换塔到返回空气提升泵。离子交换树脂与处理水中的氟离子在离子交换塔中进行离子交换，并在第一水池中用酸性废水对其进行再生。
権利要求書
1、一种水处理方法，包括以下步骤：
在第一水池中加入碱水或酸水;
在离子交换塔中引入含有阴离子或阳离子的水，用阴离子交换树脂或阳 离子交换树脂对水中的阴离子或阳离子进行离子交换处理，得到处理后的 水;
在第一水池中引入离子交换树脂塔中的阴离子交换树脂或阳离子交换 树脂，用碱水或酸水对阴离子交换树脂或阳离子交换树脂进行再生;和
将在第一水池再生后的阴离子交换树脂或阳离子交换树脂返回到离子 交换塔;
在离子交换塔和第一水池之间循环上述阴离子交换树脂或阳离子交换 树脂。
2、如权利要求1所述的水处理方法，其特征在于引入第一水池的碱水 或酸水是待处理的碱性废水或酸性废水，和
在第一水池再生完阴离子交换树脂或阳离子交换树脂的碱性废水或酸 性废水，作为待处理水被引入离子交换塔中。
3、一种废水处理装置，该装置包括：
用于接收碱水或酸水的第一水池;
装有阴离子交换树脂或阳离子交换树脂的离子交换塔，将含有阴离子或 阳离子的水引入上述离子交换塔，用阴离子交换树脂或阳离子交换树脂对 上述水进行离子交换处理，以便得到处理后的水;
离子交换树脂输送部件，用于将离子交换塔中的阴离子交换树脂或阳离 子交换树脂引入第一水池;
离子交换树脂返回部件，用于将在第一水池中用碱水或酸水再生后的阴 离子交换树脂或阳离子交换树脂送回离子交换塔;和
用于接收来自再生阴离子交换树脂或阳离子交换树脂的第一水池中的 碱水或酸水的部件，并引入离子交换塔，在这里对碱水或酸水进行预处理。
4、如权利要求3所述的水处理装置，其特征在于第一水池接收作为碱 水或酸水的碱性废水或酸性废水。
5、如权利要求3所述的水处理装置，其特征在于还包括在第一水池中 用于将碱水或酸水与阴离子交换树脂或阳离子交换树脂相混合的曝气部 件。
6、如权利要求3所述的水处理装置，其特征在于还包括在离子交换塔 中用于将阴离子水或阳离子水与阴离子交换树脂或阳离子交换树脂相混合 的曝气部件。
7、如权利要求3所述的水处理装置，其特征在于每一个离子交换树脂 输送部件和离子交换树脂返回部件都有与第一水池和离子交换塔相连接的 管线和空气提升泵。
8、如权利要求3所述的水处理装置，其特征在于离子交换塔有一个放 置在其中的膜过滤器，以及一个处理水排放部件，用于排放穿过膜过滤器 的、与阳离子交换树脂或阴离子交换树脂相分离的处理后水。
9、如权利要求3所述的水处理装置，其特征在于将经过预处理的待处 理水引入离子交换塔的部件包括一个其中放置有碳酸钙的碳酸钙储槽，它 接收来自第一水池的并在其中再生了阳离子交换树脂的酸性废水，并排出 由碳酸钙溶解在酸性废水生成的接近中性的液体。
10、如权利要求9所述的水处理装置，其特征在于将经过预处理的待处 理水引入离子交换塔的部件包括一个用于接收来自碳酸钙池的中性液体的 生物处理池，上述生物处理池中装填有炭和塑料填料，液体穿过炭和塑料 填料流动，以进行生物处理，将生物处理后的液体作为阳离子水排放到离 子交换塔中。
说明书
采用离子交换树脂处理废水的方法和装置
本发明涉及一种水处理方法和装置，更具体地说，本发明涉及一种采用离 子交换树脂处理来自半导体车间的酸性废水或碱性废水的方法和装置。
通常，来自半导体车间的酸性废水都是通过采用各种各样的化学物质来处 理的，处理后的水直接排放，不能循环使用。使处理后的水不能循环使用的原 因是处理后的水电导率很高，因而不能被循环。
至今为止，大多数超纯水生产系统使用的离子交换树脂都不能循环使用， 而作为工业废物废弃掉。下面进一步详细描述已有技术。
在各种半导体车间产生的废水中，数量最多的是酸性废水。因为半导体车 间要大量使用酸，因而酸性废水中含有使用过的酸，例如氟酸、硫酸和硝酸。 至今为止，处理酸性废水都是通过使用大量的化学物质对废水中所含的F-和 SO42-等物质进行混凝沉淀，即对它们进行化学处理，上述化学物质可以是例如 熟石灰、苛性钠、硫酸、聚氯化铝和聚合物混凝剂。因此，处理这种酸性废水 得到的处理后水的电导率都比较高，也就是说，在1400-1900μs/cm的量级上。 考虑到通常城市水或工业水的电导率在100-400μs/cm的量级，因此不难看出 从这种酸性废水得到的处理后水的电导率是相当高的。“城市水”这一术语表 示饮用水或自来水。
用这种方式，由于大量使用熟石灰、聚氯化铝和聚合物混凝剂处理酸性废 水，处理后水的电导率高，且溶解盐的含量也高，并含有大量的阳离子或阴离 子。结果使这种处理后的水不能被循环使用。
进一步，当将处理后的水输送到超纯水生产装置时，由于处理后水中含有 混凝剂，它会附着在离子交换树脂表面上，使超纯水生产装置的生产能力降低， 或堵塞反渗透(RO)膜。因而不能循环使用处理后的水。
通常，在半导体车间，含氟酸性废水中氟的浓度经常在30-300ppm的数 量级上。传统的作法是，对这种浓度的含氟废水加入如熟石灰和聚氯化铝这样 的化学物质，使其生成氟化钙和氟化铝的细小絮凝体。然后，通过加入聚合物 混凝剂使之变成大的絮凝体，然后再对絮凝体进行沉淀分离。用这种方式，可 以除去废水中的氟。如上所述由于使用了化学物质，处理后水的电导率都比较 高，在1400-1900μs/cm的量级上。
图4表示的是半导体车间的常规用水系统，它包括一个用两步混凝沉淀 法处理废水的设备。如图所示，来自半导体车间100的酸性废水首先流入 原水池101，在这里根据废水量和水质进行适当的调节。之后，通过原水 泵112将酸性废水输送到第一反应池102中。
然后，在第一反应池102中加入熟石灰，通过一个搅拌器113进行搅拌， 使废水与熟石灰进行反应。在这之后，在第一反应池102中，使氟与钙反 应生成氟化钙。这样便可以从废水中除去氟。然后将废水转移到装有铝处 理剂的第二反应池103，通过搅拌进行反应。在第二反应池103中，废水 中未反应的氟与铝处理剂进行反应，生成氟化铝。这样可进一步从废水中 除去氟。
接下来，将废水转移到第一混凝池104，并加入聚合物混凝剂。随后， 第一反应池102中反应生成的氟化钙的细小絮状体和第二反应池103中反 应生成的氟化铝的细小絮状体被混凝成大絮状体。然后将废水引入第一沉 淀池105，在这里对废水进行固-液分离。
单独采用上述步骤，废水氟的浓度不能降低到不大于15ppm的目标水 质。因此，需要依次将废水输送到第三反应池106、第二混凝池107和第 二沉淀池108中，此后，废水进一步流过一个pH值调节池109，使废水的 pH值达到排放标准。只有在废水的pH值被调节后，才能排放废水。通过 刮泥板114分别收集第一和第二沉淀池中的沉淀污泥，并将它们输送到浓 缩池110中。再通过一个刮泥板114收集浓缩池110中的污泥，并将它们 输送到一个压滤机111中进行脱水。
同时，对水质较好的中性废水，例如：半导体车间中仅用于进行清洗的 纯水进行循环。也就是说，将中性废水引入超纯水生产装置115，在该超 纯水生产装置115中对废水进行各种处理，之后将中性废水回流到半导体 车间用作超纯水。如图4所示，除了来自工业装置的中性废水以外，还在 超纯水生产装置中引入城市水或工业水，以便与中性废水相混合。用这种 方式来生产超纯水然而，如上所述，通常不能循环使用酸性废水。
日本的少数半导体车间装配有能够循环使用酸性废水的全封闭系统。在 装有这种全封闭系统的车间中，一般的作法都是在稀酸废水经过活性炭过 滤器除去有机物和/或过氧化氢之后，使废水流过弱阴离子交换树脂床和 阳离子交换树脂床进行处理，然后再进一步进行紫外线(UV)消毒和其它 微生物杀菌处理。
日本专利特开昭63-62592中描述了另一种水处理方法，其中，酸性废 水能被重复使用。该方法是在废水经过活性炭过滤器处理后，在一个由强 酸阳离子交换树脂和弱碱阴离子交换树脂组成的混合床树脂塔中对废水进 行处理。经过这种处理后，可将废水转化成超纯水进行重复使用。
上述两种水处理方法中都使用了离子交换树脂。因此，这两种方法都有 需要再生离子交换树脂的缺点，并且当离子交换树脂的性能变坏时，必须 更换和废弃性能变坏的离子交换树脂。
此外，一般采用上述两种水处理方法的作法是，不能在任何要循环的稀 酸废水中加入强酸废水，而是将它独立储存在一个储罐中，由另一个公司 收集。
因此，需要发明一种装置和方法处理这种废水，使得强酸废水能够重复 利用。
参见图5，下面对上述两种水处理方法中，采用阳离子交换树脂塔125 作为离子交换树脂装置的实例进行说明。阳离子交换树脂塔125中装有预 定量的阳离子交换树脂。待处理水按规定的量从顶部入口125A流入阳离子 交换树脂塔125中。当从阳离子交换树脂塔125出口125C流出的处理后水 的电导率不合适时，从底部进口125B向阳离子交换树脂塔125通入几个百 分比的盐酸或硫酸，以再生阳离子交换树脂。在阳离子树脂再生之后，用 过的再生废液(盐酸或硫酸)从阳离子交换树脂塔125的顶部出口125D排 走。
通常，工业水或城市水不能直接流入组成超纯水生产装置的阳离子交换 树脂塔125，但是当这种水经过图5所示的预处理装置预处理后，则可以 通入阳离子交换树脂塔125。可以单独采用或联合采用下列方法进行预处 理，如：混凝沉淀、混凝过滤、炭吸附和反渗透膜处理。
周这种方式，将经过预处理的、水质改善了的工业水或城市水输送到阳 离子交换树脂塔125或超纯水生产装置中。因此，要在较好的条件下使用 阳离子交换树脂塔125。换句话说，应向阳离子交换树脂塔125通入水质 较好或预处理到较好水质的水。通常的作法是，当从阳离子交换树脂塔125 出口排出水的水质不合适时，立即再生阳离子交换树脂，如果再生仍不能 使水质得到改善，那么就说明这些阳离子交换树脂已不适用于超纯水生产 装置，为了生产必须全部更换。
半导体车间无一例外地都装配有如图5所示的大型离子交换树脂单元。 超纯水生产装置中装有大量的阳离子交换树脂。当阳离子交换树脂本身的 离子交换性能变坏时，通常不管其成本有多大，都将这些树脂作为工业废 物处置掉。原因是如果阳离子交换树脂性能变坏，不但产水量减少了，而 且还会出现有机物从阳离子交换树脂中洗提出来的问题。然而，这并不意 味着树脂全部失去了其离子交换能力，而表示树脂的离子交换性能变坏 了。
然而，虽然情况如此，当其性能变坏时，通常的作法是不再使用这种阳 离子交换树脂，而是把它们作为工业废物花费必需的处置费用处置掉。用 过的离子交换树脂是一种工业废物，在任何水质低于上述超纯水生产装置 的循环单元中也决不能再重新使用它。
如上所述，当用大量的化学试剂处理来自半导体车间的酸性废水时，处 理后水的电导率高达1400-1900μs/cm的量级。在这个意义上，处理 后的水不适宜用作超纯水生产装置的原水。
目前，现有的几个半导体厂都是采用全封闭系统。然而，实际情况是只 有通过离子交换树脂或类似方法处理稀的酸性废水，这种废水才能被循环 使用。而决不能循环使用稀的酸性废水和强酸废水混合在一起得到酸性废 水混合物。
此外，从来都不会循环使用性能变坏的离子交换树脂，这些性能变坏的 离子交换树脂作为工业废物从超纯水生产装置中废弃掉。
当阳离子交换树脂塔125使用阳离子交换树脂时，用过的离子交换树脂 必须进行化学再生。因此，单独使用一个树脂塔，不能连续运行。所以为 了再生离子交换树脂，分别需要特殊的化学试剂(再生液)。与该方法相 配合的是，在再生液流过离子交换树脂后，还必须进行中和处理。这又产 生了中和处理运行费用的问题。
因此，本发明的一个目的是提供一种水处理方法和装置，该方法和装置 能够处理在过去不能被循环的强酸废水和稀酸废水的混合废水(或强碱废 水与稀碱废水的混合废水)，处理后的水无需添加各种化学试剂，便可用 作超纯水生产系统的原水。
本发明的另一个目的是提供一种废水处理方法和装置，该方法和装置能 够有效地循环使用用过的通常作为工业废物废弃掉的离子交换树脂。
为了实现这些目的，根据本发明，废水处理方法包括以下步骤：
在第一水池中引入碱水或酸水;
在离子交换树脂塔中引入含有阴离子或阳离子的水，用阴离子交换树脂 或阳离子交换树脂对水中的阴离子或阳离子进行离子交换处理，从而得到 处理后的水;
在第一水池中引入离子交换塔中的阴离子交换树脂或阳离子交换树 脂，用碱水或酸水对阴离子交换树脂或阳离子交换树脂进行再生;和
将在第一水池再生后的阴离子交换树脂或阳离子交换树脂返回到离子 交换塔中;
在离子交换塔和第一水池之间循环上述阴离子交换树脂或阳离子交换 树脂。
因此，根据本发明，在离子交换塔中用阳离子交换树脂或阴离子交换树 脂对含有阳离子或阴离子的水进行处理。在离子交换处理之后，将阳离子 交换树脂或阴离子交换树脂，也就是说离子交换树脂引到第一水池中。在 第一水池中用酸水或碱水对引入的阳离子交换树脂或阴离子交换树脂进行 再生。将再生后的阳离子交换树脂或阴离子交换树脂循环到离子交换塔 中。
根据本发明，用这种方式，在第一水池中用碱水或酸水对离子交换塔中 用过的离子交换树脂进行再生。此外，在再生过程中，离子交换树脂将碱 水或酸水中和到接近中性。换句话说，根据本发明，通过重复进行离子交 换塔中离子交换树脂的交换处理，和用过的离子交换树脂在第一水池中的 再生，能够在第一水池和离子交换塔两个地方处理水。因此，本发明能够 对水进行最有效的离子交换处理。此外，用过的离子交换树脂不会作为废 物废弃掉，这样节省了废物处置费用。因此，本发明提供了一种废物较少， 有效利用资源，以及运行费用较少的水处理方法。
根据本发明，用离子交换塔中的离子交换树脂对废水进行离子交换处 理，得到处理后的水。由于在上述塔中进行了离子交换，所以来自离子交 换塔的处理后水的电导率基本上较低，能够作为原水供应到超纯水生产系 统中。这样能够有效地利用水。
根据本发明的一个实施例，引入第一水池的碱水或酸水是待处理的碱性 废水或酸性废水，和
在第一水池中，在对阴离子交换树脂或阳离子交换树脂再生之后，对碱 性废水或酸性废水进行预处理，然后，将它作为待处理水引入离子交换塔 中。
根据该实施例，第一水池中的碱性废水或酸性废水能够有效地用于再生 离子交换树脂，同时，离子交换树脂将其中和到接近中性。这意味着在一 个处理阶段可同时进行再生和处理，这本身又意味着能够对水进行高效处 理。
根据上述实施例，在离子交换塔中对在碱性废水或酸性废水处理过程中 产生的含阴离子或阳离子的水进行离子交换处理，得到的处理后水能够用 作超纯水生产系统的原水。这种方法有利地改善了废水利用效率。
根据本发明的一个实施例，提供了一种废水处理装置，该装置包括：
用于接收碱水或酸水的第一水池;
装有阴离子交换树脂或阳离子交换树脂的离子交换塔，将含有阴离子或 阳离子的水引入上述离子交换塔，用阴离子交换树脂或阳离子交换树脂对 上述水进行离子交换处理，以便得到处理后的水;
离子交换树脂输送部件，用于将离子交换塔中的阴离子交换树脂或阳离 子交换树脂引入第一水池;
离子交换树脂返回部件，用于将在第一水池中用碱水或酸水再生后的阴 离子交换树脂或阳离子交换树脂送回离子交换塔;和
用于接收来自再生阴离子交换树脂或阳离子交换树脂的第一水池中的 碱水或酸水的部件，并引入离子交换塔，在这里对碱水或酸水进行预处理。
根据该实施例，在离子交换塔中用阴离子交换树脂或阳离子交换树脂对 引入离子交换塔的含有阴离子或阳离子的水进行离子交换处理。在离子交 换处理之后，通过离子交换树脂输送部件将离子交换树脂输送到第一水 池。在第一水池中，用碱水或酸水对阴离子交换树脂或阳离子交换树脂进 行再生。通过离子交换树脂返回部件将再生后的阴离子交换树脂或阳离子 交换树脂送回离子交换塔。
根据该实施例，用这种方式，在第一水池中，用碱水或酸水对在离子交 换塔中进行离子交换的离子交换树脂进行再生。此外，在再生过程中，碱 水或酸水与离子交换树脂反应后接近中性。换句话说，通过重复进行离子 交换塔中使用离子交换树脂的过程，和在第一水池中再生用过的离子交换 树脂的过程，能够在第一水池和离子交换塔中更好地利用离子交换树脂处 理水。因此，该实施例能最有效地利用离子交换树脂处理水。此外，用过 的离子交换树脂无需作为废物废弃掉，这样节省了很多废物处置费用。因 此，本实施例提供了一种能够减少产生的废物，有效地利用资源，且运行 费用低的水处理装置。
根据该实施例，在离子交换塔中用离子交换树脂对废水进行离子交换处 理，得到处理后的水。由于在离子交换塔中进行了离子交换，所以离子交 换塔的处理后水有较低的电导率，它能用作原水输送到超纯水生产系统 中。结果有效地利用了水。
在该实施例的装置中，当在第一水池中对用过的离子交换树脂再生后， 对碱水或酸水进行预处理，得到的处理后水被输送到离子交换塔中进行离 子交换。这使处理后的水适于用作超纯水生产系统的原水。因此根据该实 施例，在对碱水或酸水预处理后，对水进行离子交换处理，由此使水能转 化成超纯水生产系统的原水。这样改进了废水循环效率。
根据一个实施例，第一水池接收作为碱水或酸水的碱性废水或酸性废 水。
根据该实施例，能够在第一水池中再生离子交换树脂，并在该过程中使 碱性废水或酸性废水变成中性水，结果改进了水处理效率。
一个水处理装置的实施例还包括，在第一水池中使碱水或酸水与阴离子 交换树脂或阳离子交换树脂相混合的曝气部件。
根据该实施例，能够将离子交换树脂与碱水或酸水相混合，而不会损坏 离子交换树脂，有利于离子交换树脂的再生。
一个水处理装置的实施例还包括，在离子交换塔中使碱水或酸水与阴离 子交换树脂或阳离子交换树脂相混合的曝气部件。
根据该实施例，能够将离子交换树脂与碱水或酸水相混合，而不会损坏 和/或磨损离子交换树脂，有利于用离子交换树脂对含阴离子或阳离子的水 进行离子交换处理。
根据一个实施例，每一个离子交换树脂输送部件和每一个离子交换树脂 返回部件都有与第一水池和离子交换塔相连接的管线和空气提升泵。
根据该实施例，将离子交换树脂有效地从离子交换塔输送到第一水池 中，或从第一水池输送到离子交换塔中，而不会损坏和/或磨损离子交换树 脂。
根据一个实施例，离子交换塔有一个放置在其中的膜过滤器，它设置有 一个处理水排放部件，用于排放通过膜过滤器处理后的、与阴离子交换树 脂或阳离子交换树脂相分离的水。
根据该实施例，通过处理后水排放部件，与离子交换树脂分离开的处理 后水能作为原水输送到超纯水生产系统中。
根据一个实施例，将经过预处理的待处理水引入离子交换塔的部件包括 一个其中放置有碳酸钙的碳酸钙储槽，它接收来自第一水池的并在其中带 有再生的阳离子交换树脂的酸性废水，并排出由碳酸钙溶解在酸性废水生 成的接近中性的液体。
根据该实施例，当用碳酸钙处理酸性废水时，钙离子被洗提出进入低pH 值的酸性废水中，使处理后的水中含有钙离子。处理后水中的钙离子能够 在离子交换塔中吸附在阳离子交换树脂上。也就是说，阳离子交换树脂能 够以交换的方式，从处理后的水中除去钙离子。用过的吸附有钙离子的阳 离子交换树脂被引入第一水池进行再生。
根据该实施例，用这种方式，用碳酸钙处理酸性废水得到的处理后水是 一种阳离子水，它被引入离子交换塔中进行处理。因此，根据该实施例， 酸性废水首先在第一水池中与阳离子交换树脂相反应，再生阳离子交换树 脂。在这种情况下，酸性废水的pH值增加，使pH值接近中性。然后，中 和过的酸性废水与碳酸钙相反应，使水接近中性。当pH值进一步增加时， 在除去了钙离子的离子交换塔中，含有钙离子的酸性废水的电导率较低。 因此，能够得到可用作超纯水生产系统原水的处理后水。
根据该实施例，由于碳酸钙的洗出，酸性废水的中和反应很慢，可以看 作是化学理论当量反应，所以可以将反应沉淀物的量保持在最低限度。因 此，可使废物量最少。
根据一个实施例，将经过预处理的待处理水引入离子交换塔的部件包括 一个用于接收来自碳酸钙池的中性液体的生物处理池，上述生物处理池中 装填有炭和塑料填料，液体穿过炭和塑料填料循环，以进行生物处理。将 生物处理后的液体作为阳离子水排放到离子交换塔中。
根据该实施例，通过生长在塑料填料和炭上的微生物的反应，能够处理 液体中所含的有机物。此外，塑料填料的存在还能够改善液体在池中的接 触效率。
此外，在生物处理池中，通过使用炭作为催化剂，能够将液体中所含的 过氧化氢分解成水和氧气。同时，液体中的有机物能够吸附在炭上。
因此，根据该实施例，处理后水的电导率可以降低到处理后水可用作超 纯水生产系统原水的程度，这与已有技术的作法相反，已有技术是通过使 用化学试剂如：NaHSO3和类似的还原剂，来处理过氧化氢的。
