硅片清洗废水循环利用方法与系统

一、背景技术

在太阳能电池生产领域，以多晶硅片为基体制成的太阳能电池一直都是光伏市场的主流产品，而在整个晶体硅太阳能电池产业链中单多晶硅片生产环节是一个用水大户，在国家倡导节能减排的大背景下，如何在保证生产工艺和设备正常运行的前提下大幅降低水资源单耗是一个亟待解决的问题。

目前，行业中单多晶硅块及硅片的生产环节基本都是利用多线切割方式实现的，即高速运行的钢线携带含有 SiC 颗粒的砂浆把硅锭切割成硅块和把硅块切割成硅片，可想而知完成切割的硅块和硅片表面上沾满了砂浆，所以要进行后续加工，需要用大量的水进行喷淋冲洗操作，把沾满砂浆的硅块和硅片进行预处理，用水量极大。

同时，在硅块研磨倒角和带锯环节中，为了使刀口冷却，也需要大量的水。在现有技术中，上述用水主要采用自来水，因此对自来水的消耗量较大。

二、本清洗方法研究

在本方法实施例中，根据单多晶硅片制造过程中各用水环节对水质的要求，将这些用水环节分成高等水质用水环节、中等水质用水环节、和低等水质用水环节;将高等水质用水环节排出的废水进行净化处理，然后作为中等水质用水环节和低等水质用水环节的用水，这样能够较好地利用高等水质用水环节排出的废水，减小中等水质用水环节和低等水质用水环节对自来水的使用量。如果中等水质用水环节和低等水质用水环节的用水量较大，还可以将这两个环节排出的废水也进行净化处理然后作为这两个环节的用水，同样有助于减小这两个环节的自来水使用量。

在实际的单多晶硅片制造过程中，对切割硅块得到的单多晶硅片进行预冲洗的环节主要是对沾满砂浆的硅片进行预冲洗，此时的用水允许含有少量微小颗粒物，所以该环节可以认为是低等水质用水环节;对单多晶硅块进行形状及表面加工时用水进行冷却的环节中，允许含有较多的可溶性物质，所以该环节可以认为是中等水质用水环节;而在单多晶硅片完成加工后进行清洗时，需要使用去离子水，此时对水质要求相当高，所以该环节可以认为是高等水质用水环节。在使用去离子水对单多晶硅片进行清洗时，通常采用多槽式超声波硅片清洗机，该清洗机有预漂洗槽、药液清洗槽、和精漂洗槽。其中药液清洗槽排出的废水中含有较多的清洗药液，净化处理较为复杂，因此在本实施例中，只将预漂洗槽和精漂洗槽排出的废水进行净化处理。

在对上述用水环节排出的废水进行净化处理时，对于高等水质用水环节排出的废水，只进行一级沉淀，然后进行过滤;对于中等水质用水环节和低等水质用水环节排出的废水进行处理时，要进行二级沉淀，然后进行过滤。上述的过滤可以共用一个过滤装置，一级沉淀可以采用二级沉淀中的第二级沉淀池。

具体参考图1，图1 是根据本方法实施例的废水循环利用系统的基本原理的示意图。

图1

如图 1 所示，本方法实施例的废水循环利用系统中有第一级沉淀池 11、第二级沉淀池 12、以及过滤器 13，它们依次串联。第一级沉淀池 11 具有与中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水出口 A 相连的中等水质用水环节和低等水质用水环节的第一级废水接收口以及将沉淀后的废水排出的第一级沉淀池出口;第二级沉淀池具有与第一级沉淀池出口相连的第二级沉淀池入口以及与高等水质用水环节的废水出口相连的高等水质用水环节废水接收口;高等水质用水环节、中等水质用水环节、和低等水质用水环节是根据单多晶硅片制造过程中各用水环节对水质的要求而划分。

上述的单多晶硅片制造过程中的中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水经过废水出口A 排入第一级沉淀池11，经第一级沉淀池11 沉淀处理之后进入第二级沉淀池 12 从而完成了二级沉淀。高等水质用水环节的废水经过废水出口B 直接排入第二级沉淀池12，即只进行一级沉淀。经过过滤器 13 过滤的水经过出水口 C 和出水口 D 就可以用作中等水质用水环节和低等水质用水环节的用水。可以看出采用本方法实施例的废水循环利用系统可以有效利用单多晶硅片制造过程中的各个环节排出的废水，减小其中的中等水质用水环节和低等水质用水环节的自来水使用量。

图 2 是根据本方法实施例的废水循环利用系统的一种优选结构的示意图。

图2

如图 2 所示，第一级沉淀池 11 第二级沉淀池 12 过滤器 13 第一级沉淀池 11 和第二级沉淀池 12 可以均为平流式沉淀池，中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水从废水出口 A 处由第二三通阀 111 引入，经过粗滤网 112 后进入第一级沉淀池 11 的进水槽 113(相当于第一级沉淀池 11 的第一级废水接收口)，或者在中等水质用水环节和低等水质用水环节的用水已经足够的情况下直接排入污水管网 W 中。由于中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水水质较差并且所含杂质易沉淀，所以汇流管路或渠道必须采用坡度较大的设计施工。

来自于高等水质用水环节排出的废水从废水出口 B 处直接经由粗滤网 121(相当于第二级沉淀池 12 的高等水质用水环节废水接收口)进入第二级沉淀池 12。第一级沉淀池 11 中的水可以通过溢流(相当于第一级沉淀池 11 的第一级沉淀池出口与第二级沉淀池 12 的二级沉淀池入口)的方式进入第二级沉淀池 12。第一级沉淀池 11 和第二级级沉淀池 12 的串联分布方式使得来自于中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水经过了两级沉淀后大部分杂质得以沉淀，并且第一级沉淀池 11 和第二级沉淀池 12 可以灵活的互为备用。第一级沉淀池 11 和第二级沉淀池 12 的顶部分别有刮泥车 114、刮泥车 122，内部分别有刮泥板 115、刮泥板 123，底部分别有存泥斗 116、泥斗 124。这样就可以方便的把沉淀的泥沙收集到存泥斗，再被污泥泵 14 抽走。

经两级沉淀处理后的废水通过第二级沉淀池 12 和滤前储水槽 15 之间的溢流堰 151 进入滤前储水槽 15。滤前储水槽 15 的主要功能是为滤前泵 16 和过滤器 13 蓄水。滤前储水槽 15 中设置第二高液位传感器 152、第二中液位传感器 153 和第二低液位传感器 154。实际上，该系统还包括控制器，第一高液位传感器191 与滤前泵16 之间通过控制器相连，控制器用于在液位达到第一高液位传感器 191 时停止滤前泵 16 ;第一中液位传感器 192 与增压泵17 之间通过控制器相连，控制器也用于在液位达到第一中液位传感器192 时启动增压泵 17 ;第一低液位传感器 193 与增压泵 17 之间通过控制器相连，控制器还用于在液位低于第一低液位传感器 193 停止增压泵 17。

第二高液位传感器 152 用于控制第二三通阀 111，即当滤前储水槽 15 的液位到达高液位时则发出信号，与各个液位传感器以及水泵、阀门连接的控制系统(图中未示出)根据该信号，控制第二三通阀 111 把来自于中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水排至污水管网 W。第二中液位传感器 153 发出信号时，滤前泵 16 开始往过滤器 13 内泵水。第二低液位传感器 154 发出信号时，滤前泵 16 停止工作，防止抽空。第二级沉淀池 12 与过滤13 之间通过滤前泵 16 相连，滤前泵 16 的输入端与第二级沉淀池 12 相连，滤前泵 16 的输出端与过滤器 13 相连;过滤器 13 与压力罐 18 之间设置滤后储水槽 19，滤后储水槽用于存储过滤器13 过滤后的水;滤后储水槽19 与压力罐18 之间通过增压泵17 相连，增压泵17的输入端与滤后储水槽 19 相连，增压泵 17 的输出端与压力罐 18 的输入端相连;压力罐 18 的输出端与中等水质用水环节和低等水质用水环节的供水输入端相连。

溢流堰151 上具有通孔，该通孔上安装有阀门155。通孔的高度与第二中液位传感153 的高度基本相同或略低于第二中液位传感器 153 的高度。这样如果过滤器 13 的水源不足，可以直接打开阀门 155 供水。可以有多个通孔及阀门 155，并可以采用手动闸阀。

实际上，过滤器 13 为砂滤器，该砂滤器设计为具有压差感应控制或固定周期控制式的自动反洗功能过滤装置，反洗水源采用增压泵 17 提供水源，反洗水路 131 连接第一三通阀 132 的第一端，第一三通阀 132 的另两端分别连接增压泵 17 和压力罐 18。砂滤器的排污出口可以与第一级沉淀池 11 的入口连接，也可以直接接入污水管网 W。

反洗程序可采用图 3 所示的流程，图 3 是根据本方法实施例的砂滤器反洗程序的示意图。

图3

经砂滤器过滤后的净水流入滤后储水槽 19，滤后储水槽 19 设置有高、中、低三个液位传感器，分别是第一高液位传感器191、第一中液位传感器192 和低液位传感器193。第二高液位传感器 152 与第二三通阀 111 之间通过控制器相连，控制器用于在液位达到第二高液位传感器152 时控制第二三通阀111 将中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水在污水管网 W 和第一沉淀池 11 的入口之间切换;第二中液位传感器 153 与滤前泵 16 之间通过控制器相连，控制器也用于在液位达到第二中液位传感器 153 时启动滤前泵 16 ;第二低液位传感器154 与滤前泵16 之间通过控制器连接，控制器还用于在液位低于第二低液位传感器 154 时停止滤前泵 16。也就是说，第一高液位传感器 191 用于控制滤前泵 16 停止泵水，以达到用多少净水产多少净水的目的，最大限度降低系统运行成本。第一中液位传感器 192 用于控制增压泵 17 的启动，即只有在滤后储水槽 19 的水位到达中液位时才可以启动增压泵 17。第一低液位传感器 193 用于在滤后储水槽 19 的水位到达低液位时停止增压泵 27，从而能够保护增压泵 17，防止无水空转。在滤后储水槽 19 的水位符合增压泵 17 的启动条件下，增压泵 17 的启停完全受压力罐 18 内的压力感应控制。最后通过压力罐 18 联通供水管路由出水口C 和出水口D 分别为中等水质用水环节和低等水质用水环节进行恒压供水，最终达到高效利用水资源的目的。

应用图2 所示的废水循环利用系统时，可以选用的控制流程如图4 和图5 所示。

 

图4 图5

图4 是根据本方法实施例的废水循环利用系统在中等水质用水环节和低等水质用水环节用水状态下的一种控制流程的示意图。

图 5 是根据本方法实施例的废水循环利用系统在中等水质用水环节和低等水质用水环节在停止用水状态下的一种控制流程的示意图。

三、本方法的优势

本方法目的在于提供一种废水循环利用方法与系统，以减小现有技术中单多晶硅片制造需要消耗大量自来水的问题。

1、水质分类，合理优化资源

根据多晶硅片制造过程中各用水环节对水质的要求，将用水环节分成高等水质用水环节、中等水质用水环节、和低等水质用水环节;将高等水质用水环节排出的废水进行净化处理，然后作为中等水质用水环节和低等水质用水环节的用水。将中等水质用水环节和低等水质用水环节排出的废水进行净化处理，然后作为中等水质用水环节和低等水质用水环节的用水。低等水质用水环节包括对切割硅锭所得到的硅块进行冲洗的环节、对切割硅块得到的单多晶硅片进行预冲洗的环节，以及，对切割中所用工装进行冲洗的环节;中等水质用水环节包括对单多晶硅块进行形状及表面研磨加工时用水进行冷却的环节;高等水质用水环节包括采用去离子水对切割硅块得到的单多晶硅片进行清洗的环节。

高等水质用水环节中，采用多槽式超声波硅片清洗机对切割硅块得到的单多晶硅片进行清洗;将高等水质用水环节排出的废水进行净化处理的步骤包括：将多槽式超声波硅片清洗机的预漂洗槽和精漂洗槽排出的废水进行净化处理。

将高等水质用水环节排出的废水进行净化处理的步骤包括：将高等水质用水环节排出的废水先后进行一级沉淀和过滤;将中等水质用水环节和低等水质用水环节排出的废水进行净化处理的步骤包括：将中等水质用水环节和低等水质用水环节排出的废水先后进行两级沉淀和过滤。

2、增加沉淀池和过滤器，对水要求进行划分

根据本方法的另一个方面，还提供了一种废水循环利用系统，应用于单多晶硅片制造，该系统包括：第一级沉淀池;第二级沉淀池;过滤器;其中，第一级沉淀池、第二级沉淀池、过滤器依次串联;第一级沉淀池具有与中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水出口相连的第一级废水接收口以及将沉淀后的废水排出的第一级沉淀池出口;第二级沉淀池具有与第一级沉淀池出口相连的第二级沉淀池入口以及与高等水质用水环节的废水出口相连的第二级废水接收口;高等水质用水环节、中等水质用水环节、和低等水质用水环节是根据单多晶硅片制造过程中各用水环节对水质的要求而划分。

3、通过传感器增加灵敏度

本方法提供的系统，还包括控制器，滤后储水槽内由高至低设置有第一高液位传感器、第一中液位传感器和第一低液位传感器三个液位传感器，其中，控制器分别与第一高液位传感器和滤前泵相连，用于在液位达到第一高液位传感器时停止滤前泵;控制器分别与第一中液位传感器和增压泵相连，用于在液位达到第一中液位传感器时启动增压泵;控制器分别与第一低液位传感器和增压泵相连，用于在液位低于第一低液位传感器停止增压泵。

本方法提供的系统，还包括第一三通阀，增压泵和压力罐分别连接至第一三通阀的两端，该第一三通阀的第三端与过滤器的反洗水路连接;过滤器的反洗排污出口与第一级沉淀池的入口连接。

本方法提供的系统，还包括第二三通阀、滤前储水槽和控制器，其中，第二三通阀的第一端与中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水出口连接，第二端与污水管网连接，第三端与第一沉淀池的入口连接;滤前储水槽与第二级沉淀池通过溢流堰连接，滤前储水槽内由高至低设置有第二高液位传感器、第二中液位传感器和第二低液位传感器，其中，控制器分别与第二高液位传感器和第二三通阀相连，用于在液位达到第二高液位传感器时控制第二三通阀将中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水在污水管网和第一沉淀池的入口之间切换;控制器分别与第二中液位传感器和滤前泵相连，也用于在液位达到第二中液位传感器时启动滤前泵;控制器分别与第二低液位传感器和滤前泵连接，用于在液位低于第二低液位传感器时停止滤前泵;溢流堰上具有通孔，该通孔上安装有阀门，通孔的高度与滤前储水槽内的第二中液位传感器的高度相同或低于第二中液位传感器的高度。

四、小结

本方法提供了一种废水循环利用方法及系统，该方法包括：根据单多晶硅片制造过程中各用水环节对水质的要求，将所述用水环节分成高等水质用水环节、中等水质用水环节、和低等水质用水环节;将所述高等水质用水环节排出的废水进行净化处理，然后作为所述中等水质用水环节和所述低等水质用水环节的用水;该系统包括：第一级沉淀池;第二级沉淀池;过滤器;其中，所述第一级沉淀池、所述第二级沉淀池、所述过滤器依次串联;所述第一级沉淀池和所述第二级沉淀池用于处理中等水质用水环节和低等水质用水环节的废水;所述第二级沉淀池还用于处理高等水质用水环节的废水。

本方法提供的废水循环利用方法及系统利用第一级沉淀池和第二级沉淀池对单多晶硅片制造过程中的废水进行回收并处理之后应用于该制造过程，使其中的中等水质用水环节和低等水质用水环节无需额外使用自来水，减小了多晶硅片制造过程中的自来水消耗。本方法实施例中的废水循环利用系统的水处理成本也较低，并可长期自动稳定运行，而且对于下一代金刚线切割制造工艺而言，该系统依然非常适用，无须升级改造。