Nachhaltige Lösungen für die Abwasserbehandlung in der Halbleiterindustrie
DAS Environmental Experts bietet maßgeschneiderte, nachhaltige Abwasserlösungen und Wiederaufbereitungskonzepte für die Halbleiterindustrie. Mit hohen Qualitätsstandards und individuellem Projektmanagement sind wir Ihr zuverlässiger Partner.
Wasser ist ein lebenswichtiger Rohstoff für Menschen, Tiere und Pflanzen, jedoch sind nur knapp drei Prozent der weltweiten Wasserreserven Süßwasser. Von diesem nutzbaren Süßwasser sind große Teile aufgrund von natürlichen Gegebenheiten und anthropogenen Einflüssen nicht zugänglich. Zu letzteren gehören Wasserverschmutzung, Übernutzung, Verlust von Wäldern und Mooren als wichtigen Wasserspeichern sowie zunehmende Urbanisierung. Diese von Menschen verursachten Veränderungen beeinträchtigen den natürlichen Wasserkreislauf und haben weitreichende Folgen, darunter Flussveränderungen, Landnutzungswandel und Klimaeinflüsse. Gleichzeitig steigt der Bedarf an Süßwasser weltweit kontinuierlich an, insbesondere durch das Bevölkerungswachstum, die industrielle Entwicklung und den Klimawandel. Laut UN-Prognosen wächst die Weltbevölkerung bis 2025 auf rund 9,7 Milliarden Menschen.
Schätzungen zufolge liegt der jährliche weltweite Süßwasserverbrauch derzeit bereits bei etwa 4 – 4,5 Billionen Kubikmetern (4000 – 4500 Kubikkilometern) pro Jahr. Allein Deutschland verzeichnet eine jährliche Wassernutzung von rund 219 Milliarden Kubikmetern, wobei Industrie, Landwirtschaft und private Haushalte die Hauptverbraucher sind. Zugleich ist die Wasserinfrastruktur in weiten Teilen der Welt überaltert und erfordert dringend Investitionen.
Die Halbleiterindustrie als bedeutender Verbraucher von Wasserressourcen steht vor der globalen Herausforderung, ihren Wasserbedarf zu optimieren und innovative Abwasserbehandlungstechnologien einzusetzen, um die Belastung der Süßwasserressourcen zu verringern und einen nachhaltigen Umgang mit diesem lebenswichtigen Gut zu gewährleisten.
Wasser in der Halbleiterindustrie
Die Herstellung der Mikroprozessoren auf Siliziumwafern ist energieintensiv und verbraucht große Mengen an Wasser, Chemikalien und Gasen. Zusätzlich entstehen gefährliche Abfälle wie Schwermetalle, Säuren und Lösungsmittel, die Umweltschäden verursachen können, wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt werden. Im Fertigungsprozesses durchlaufen die Siliziumscheiben mehr als 1000 einzelne Prozessschritte im Reinraum und müssen regelmäßig gereinigt werden. Für diese Reinigungsprozesse wird Reinstwasser (Ultrapure Water, UPW) verwendet.
Außerdem wird Reinstwasser bei Ätzprozessen eingesetzt, um überschüssige Ätzmittel zu entfernen und gegebenenfalls Chemikalienrückstände zu neutralisieren. Sowohl bei den Reinigungsprozessen als auch beim Ätzprozess selbst wird das Wasser durch unterschiedliche Chemikalien und Prozessgase wie Salpetersäure, Schwefelsäure, Fluorwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoffperoxid, Isopropanol sowie Partikel aus den unterschiedlichen Phasen der Chipherstellung verunreinigt und muss aufwändig gereinigt werden.
Drei Jahrzehnte Erfahrung in der industriellen Abwasser- und Abgasreinigung
Mit über 30 Jahren Erfahrung in der industriellen Abwasser- und Abgasreinigung ist DAS Environmental Experts der Inbegriff für deutsche Ingenieurstechnik und Qualitätsfertigung. Unsere erprobten und skalierbaren Lösungen bieten eine zuverlässige Abwasserbehandlung für die spezifischen Anforderungen der Hochtechnologiefertigung sowie zahlreicher weiterer Branchen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, chemischen Industrie, Pharma- und Kosmetikindustrie.
Unser Projektansatz umfasst die individuellen Anforderungen unserer Kunden von der Abwassermenge und ‑zusammensetzung über spezifische Anforderungen zu Energie- und Chemikalieneinsatz sowie Footprint und andere Designanforderungen hin zur Ablaufqualität für Recycling, indirekte wie auch direkte Einleitung. Mit der Vorfertigung der Anlagenkomponenten in Dresden gewährleisten wir höchste Qualität und Effizienz.
Komplettlösungen aus einer Hand
Unser umfangreiches Leistungsangebot deckt sämtliche Bereiche ab: von der Beratung (inklusive Labor und Pilotversuchen) über die Planung, den Anlagenbau, die Inbetriebnahme bis hin zur Optimierung sowie der Wartung von Abwasserbehandlungsanlagen. Unsere vielseitige Palette an biologischen, mechanischen und chemisch-physikalischen Verfahren ermöglicht es uns, die spezifischen Schadstoffe in den Prozess‑, Brauch- und Schmutzwässern unserer Kunden auf die zulässigen Grenzwerte für Ableitung bzw. Recycling zu reduzieren.
Dazu gehören unter anderem:
- Entfernung von organischen Verunreinigungen
- Entfernung von Schwermetallen oder anderen toxischen Verbindungen
- Behandlung von chemisch-mechanischen Polier-/Planarisierungsabwasser (CMP)
- Behandlung von Grinding-Reststoffen
- Behandlung von fluorid- und arsenhaltigem Abwasser
- Behandlung von Isopropanol (IPA) oder anderen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs)
- Wiederverwendung von behandeltem Abwasser (Wasserrecycling)
- Rückgewinnung und Recycling von Wertmetallen aus Abwässern
Einsatz von biologischer Abwasserhandlung in der Halbleiterindustrie am Beispiel Moving Bed Biofilm Reaktor (MBBR)
Ein Moving Bed Biofilm Reaktor (MBBR) ist ein biologischer Reaktor, der aufgrund seiner Flexibilität und Effizienz in der Lage ist, eine breite Palette von organischen Verunreinigungen aus Industrieabwässern zu entfernen. Er bietet eine gute Leistung bei der Entfernung von Stickstoff- und Phosphorverbindungen sowie bei der Beseitigung von organischen Verbindungen, welche als CSB/BSB/TOC dargestellt werden. Der Prozess ist robust, bedienungsfreundlich, einfach skalierbar und lässt sich damit sehr gut an spezifische Kundenanforderungen anpassen. Die Nutzung von Trägermaterial und das damit verbundene sehr hohe Schlammalter ist optimal für die Anpassung an verschiedenste, auch schwer abbaubare, organische Inhaltsstoffe. Da es sich nicht um Belebtschlamm handelt wird zusätzlich weniger Überschussschlamm gebildet, was die Betriebskosten reduziert.
MBBR-Abwasserbehandlungsanlage
für die mehrstufige biologische Behandlung von Abwässern aus Ätzprozessen
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Trägermaterial
Im MBBR befindet sich lose geschüttetes Kunststoff-Trägermaterial, welches als Oberfläche für die Besiedlung von spezialisierten Mikroorganismen dient. Diese freischwebenden Trägermaterialien haben eine große Oberfläche, um eine hohe Biomassekonzentration zu ermöglichen. Die Mikroorganismen sind für den Abbau sowohl von organischen Abwasserinhaltsstoffen als auch von Stickstoffverbindungen verantwortlich und sorgen durch die sehr lange Aufenthaltszeit im Abwasser und die daraus folgende selektive Spezialisierung sowie den geschützten Raum in den Aufwuchskörpern dafür, dass der MBBR-Prozess wesentlich stabiler und adaptiver als andere biologische Behandlungstechnologien ist.
Belüftung und Durchmischung
Luft wird in den Reaktor eingeblasen, um Sauerstoff bereitzustellen und die Mikroorganismen mit Nährstoffen zu versorgen. Durch die geringeren Feststoffgehalte im Vergleich zu Belebtschlammverfahren ist der Sauerstoffeintrag sehr effizient. Gleichzeitig sorgt die Belüftung für eine Durchmischung des Abwassers und der Trägermaterialien im Reaktor.
Biofilmwachstum
Mikroorganismen im Abwasser, wie z. B. Bakterien, heften sich an die Oberfläche der Trägermaterialien und bilden einen Biofilm. Dieser Biofilm enthält eine Vielzahl von Organismen, die organische Verbindungen im Abwasser abbauen können.
Abbau von Schadstoffen
Die Mikroorganismen im Biofilm bauen organische Verbindungen und andere Schadstoffe im Abwasser ab, indem sie diese als Nahrungsquelle nutzen. Dieser Abbau erfolgt durch biochemische Prozesse wie aerobe und anaerobe Atmung sowie Denitrifikation.
Klärung
Nachdem die Mikroorganismen die Schadstoffe abgebaut haben, fließt das gereinigte Wasser aus dem Reaktor ab. Der größte Teil der Biomasse verbleibt im Reaktor und kann für den biologischen Abbau weiterer Schadstoffe verwendet werden. Da die Biomasse nicht als Belebtschlamm vorliegt, fällt am Ende ebenfalls weniger Überschussschlamm an.
DAS EE verfügt über langjährige Erfahrung mit MBBR in unterschiedlichen Industrien.
Für die Nutzung dieser Technologie in der Halbleiterindustrie empfehlen wir beispielhaft folgende technologische Verfahrenskombination:
- Ein Misch- und Ausgleichsbehälter zum Puffern & Konditionieren (pH-Einstellung, Zugabe notwendiger Nährstoffe, H2O2-Katalyse)
- Zwei aerobe MBBR zum CSB-Abbau und zur Nitrifikation
- Ein anoxischer (Gelöstsauerstoff-freier) MBBR zum Nitratabbau
- Flotationen zur Feststoffabscheidung
- Schlammpressen zur Schlammentwässerung
Membrane Bio Reactor (MBR)
Eine weitere Abwasserbehandlungsmethode, die in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden kann, ist der Membrane Bio Reactor (MBR). Hierbei wird das Belebtschlammverfahren mit einer Membranfiltration kombiniert, um Partikel und Belebtschlamm vor dem Ableiten des biologisch gereinigten Abwassers zurückzuhalten.
Das Abwasser wird zunächst in einen biologischen Reaktor mit Mikroorganismen geleitet. Diese Organismen spielen eine entscheidende Rolle beim Abbau organischer Verunreinigungen im Abwasser und liegen im Gegensatz zum MBBR nicht als Biofilm, sondern als Belebtschlamm und damit in Form von im Abwasser schwebenden Flocken vor. Auch hier werden anaerobe, anoxische und aerobe Becken, bzw. Zonen verwendet, um die Eigenschaften unterschiedlicher Mikroorganismen in der Biozönose zu nutzen. Im Gegensatz zum MBBR durchlaufen diese jedoch alle Stufen und verbleiben nicht in einer Zone.
Um die Aktivität aerober Organismen aufrechtzuerhalten, wird Luft in den Reaktor geblasen, was ihr aerobes Wachstum ermöglicht und den Abbau der Verunreinigungen beschleunigt. Anaerobe oder anoxische Zonen werden ohne Lufteintrag durchmischt. Anschließend durchläuft das behandelte Abwasser eine Membranfiltration im MBR-System. Spezielle Membranen werden verwendet, um Partikel und Belebtschlamm effektiv zurückzuhalten.
Periodische Rückspülungen der Membranen sind erforderlich, um Ablagerungen und Verstopfungen zu entfernen, was üblicherweise durch Umkehrung des Wasserflusses oder chemische Reinigungsmethoden erfolgt. Je nach Verunreinigung werden dabei Laugen, Säuren oder auch enzymatische Reiniger und chlorhaltige Hypochlorit verwendet. Es erfolgt eine Rezirkulation des Belebtschlammes in die vorgelagerten Anlagenteile, um eine kritische Aufkonzentration in der Membrankammer zu vermeiden. Aus dieser Rezirkulation wird auch der im Prozess entstehende Überschussschlamm entnommen. Schließlich kann das gereinigte Wasser je nach Anwendung wiederverwendet oder in die zentrale Abwasserentsorgung eingeleitet werden.
Alternativ kann es weiteren Reinigungsprozessen unterzogen werden, um höhere Reinheitsgrade zu erreichen. Vorteile dieses Verfahrens sind z. B. die Feststofffreiheit des Ablaufes, potentiell geringere Reaktorvolumina durch höhere Belebtschlammkonzentrationen, einfache Erhöhung der Filtrationskapazität in Stufen und im Vergleich zur Schwerkraftsedimentation geringerer Footprint der Feststoffabscheidung.
Chemisch-physikalische Abwasserbehandlung in der Halbleiterindustrie
Die chemisch-physikalische Abwasserbehandlung ist eine Kombination unterschiedlicher Verfahren, um Schwermetalle, organische Verbindungen, Säuren und Basen sowie Partikel aus dem Prozesswasser zu entfernen. Je nach Kundenanforderungen entscheidet unser Expertenteam, welche der Verfahren miteinander kombiniert werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Solution for Chemical-Physical Wastewater Treatment
DAS EE bietet die folgenden Verfahren an:
Filtration
Bei der Filtration handelt es sich um ein mechanisches Verfahren zur Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten. Für den Einsatz in der Halbleiterindustrie bietet sich insbesondere die Membranfiltration in Form von Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose an, die Partikel und Moleküle einer definierten Größe zurückhalten kann. Mit diesem Verfahren können auch kolloidale Stoffe sowie Bakterien entfernt und das Wasser entsalzt werden.
Flotation
Bei der Flotation werden dispergierte oder suspendierte Stoffe mit Hilfe von Koagulanten wie Aluminiumsulfat oder Eisenchlorid sowie Flockungsmitteln aus Flüssigkeiten entfernt. Das Verfahren trägt dabei effektiv zur Entfernung von partikelförmigen Verunreinigungen aus anderen Behandlungsschritten wie der Belebtschlammabscheidung aus dem MBBR bei, bevor das Wasser weiteren Reinigungsverfahren unterzogen wird.
Sedimentation
Die Sedimentation dient der Abtrennung von Feststoffpartikeln durch Schwerkraft in flachen nahezu strömungsfreien Becken. Die Behälter werden in der Regel nach Aufenthaltszeit ausgelegt, das heißt, das Wasser muss so lange im Behälter sein, bis die Partikel abgesunken sind. Je nach Partikelgröße ist die Sedimentation ein robustes, energiearmes und einfaches Verfahren zur Feststoffabtrennung durch Nutzung der Gravitation. Durch Lamellenschrägklärer kann es räumlich optimiert werden.
Oxidation/Reduktion
Oxidationsverfahren werden unter anderem zur Beseitigung biologisch schwer abbaubarer organischer Verbindungen genutzt, besonders effektiv durch photochemische Reinigung mit Hydroxylradikalen aus Wasserstoffperoxid oder Ozon mittels UV-Licht. Diese Advanced Oxidation Processes (AOP) zerstören Spurenstoffe zuverlässig. Mit diesem Verfahren können auch sogenannte Schwermetallkomplexe aufgespaltet werden.
Adsorption und Chemisorption
Adsorption ist die Anreicherung von Substanzen an der Oberfläche eines Festkörpers durch van-der-Waals-Kräfte. Das Adsorptionsmittel Aktivkohle kann eine Vielzahl von Substanzen an ihre poröse Oberfläche zu binden. Dadurch werden u.a. organische Verbindungen wie PFAS und andere gelöste Stoffe effektiv aus dem Abwasser gebunden. Dotierte Aktivkohle und Eisenhydroxid-Granulat werden genutzt, um Arsen und Schwermetalle zu entfernen. Chemisorption, bei der Stoffe durch chemische Bindungen an die Oberfläche gebunden werden, ist im Gegensatz zur Adsorption oft irreversibel.
Neutralisation
Die Neutralisation wird zur Einstellung des pH-Werts verwendet. Insbesondere nach Prozessen wie Fällung und Flockung werden dabei nach Bedarf Säuren oder Basen zugegeben. Sie kann auch vor dem biologischen Verfahren eingesetzt werden, um einen neutralen pH-Wert einzustellen, damit die Bakterien nicht zerstört werden.
Fällung
Die Fällung ist ein chemisches Verfahren zur Abscheidung eines zuvor gelösten Stoffes aus einer Lösung. Schwermetalle werden durch Zugabe von geeigneten Substanzen ausgefällt, um sie in schwerlösliche Metall-Hydroxide umzuwandeln. Anionen wie z.B. Fluorid-Ionen können durch Reaktionen mit Calcium‑, Eisen- oder Aluminiumsalzen ausgefällt werden. Eisen- und Aluminiumsalze können zur Phosphat-Ausfällung eingesetzt werden.
Flockung
Die Flockung entfernt feinste Partikel aus dem Wasser, die in Suspension oder als kolloidale Lösungen vorliegen. Durch geeignete Chemikalien, genannt Flockungsmittel und Flockungshilfsmittel, können diese Partikel zusammengeballt werden, um Makroflocken zu bilden, die sedimentieren. Dies verbessert die Absetzeigenschaften und Entwässerung von Reststoffen.
Ionenaustauscher
Ionenaustauscher sind Materialien, die Ionen in einer Lösung durch andere Ionen ersetzen können. Zum Beispiel können Calcium-Ionen durch Natrium-Ionen ausgetauscht werden. Wenn der Ionenaustauscher erschöpft ist, muss er regeneriert werden. Ionenaustauscher werden zur gezielten Entfernung von Schwermetallen und Ionen verwendet, z. B. als „Polizeifilter“ nach Fällung/Flockung. Sie dienen auch zur Enthärtung, Umsalzung und Entsalzung von Wasser. In der Halbleiterindustrie sind sie entscheidend für die Erzeugung von extrem reinem, demineralisiertem Wasser (Reinstwasser).
