كيف تعالج سامسونج للإلكترونيات مياه الصرف في مصنع الرقاقات (2026)

كيف تُزيل معالجة مياه صرف مصانع سامسونج النيتروجين

تعتمد معالجة مياه صرف مصانع سامسونج سلسلة بيولوجية من ثلاث مراحل طُوّرت بالشراكة مع Ecolab: إزالة النترات الأولية، والترشيح النتراتي، وإزالة النترات اللاحقة، ثم التهوية والترسيب وفصل الحمأة. وينخفض النيتروجين في المياه المعالجة بأكثر من 30% مقارنة بالأساليب التقليدية (طلب براءة الاختراع المشترك بين سامسونج وEcolab، 2025). وتستهدف هذه السلسلة مياه الصرف النيتروجينية الناتجة عن عمليات الترسيب والنقش بعد إزالة المواد الصلبة في المراحل الأولية.

المرحلة 1 هي خزان إزالة النترات الأولية، منطقة لاهوائية تستقبل مياه الصرف الخام إلى جانب المواد الصلبة العالقة في السائل المختلط (MLSS) المُعاد تدويرها من المروّق اللاحق. تستخدم البكتيريا غيرية التغذية النترات والنتريت الموجودين في التغذية، أو العائدين من المرحلة 3، كمستقبل نهائي للإلكترونات. وتُختزل هذه الأيونات إلى غاز النيتروجين مع استهلاك الكربون العضوي المتبقي. تمنح إزالة النترات الأولية السلسلة قدرة على تحمل تذبذبات نسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N): تُستنزف المواد العضوية قبل الترشيح النتراتي، فلا تنافس المرحلة الهوائية على الأكسجين بسبب الطلب الأوكسجيني البيوكيميائي الكربوني (CBOD).

المرحلة 2 هي خزان الترشيح النتراتي. تقوم بكتيريا أكسدة الأمونيا (AOB) وبكتيريا أكسدة النتريت (NOB) بتحويل الأمونيا إلى نتريت ثم إلى نترات في ظروف هوائية. يُحافَظ عادةً على الأكسجين المذاب (DO) عند 2.0-3.0 ملغ/لتر لدعم الترشيح النتراتي ذاتي التغذية دون هدر طاقة التهوية. ولا يُكشف عن زمن المكوث الهيدروليكي (HRT) الدقيق في براءة الاختراع. وغالبًا ما يستخدم الترشيح النتراتي الصناعي التقليدي من 8 إلى 24 ساعة عند درجات حرارة متوسطة، مع أزمنة مكوث أطول عند أحمال أمونيا أقل. وتميل معظم المحطات التي نُصممها لأحمال نيتروجين شبيهة بأحمال مصانع الرقاقات إلى الطرف الأطول من نطاق أزمنة المكوث عندما تكون الأمونيا في المياه الداخلة غير مستقرة.

المرحلة 3 هي خزان إزالة النترات اللاحقة، وهو منطقة لاهوائية ثانية تُحوّل النترات المتبقية من المرحلة 2 إلى غاز النيتروجين. وبما أن معظم الكربون سهل التحلل البيولوجي قد استُهلك في المرحلة 1، يُحقَن هنا عادةً مصدر كربوني خارجي. والاختيارات المعتادة هي الميثانول أو الإيثانول أو الأسيتات. وتدفع إزالة النترات اللاحقة إجمالي النيتروجين (TN) إلى ما دون نطاق 20-60 ملغ/لتر الذي تفرضه عادةً تصاريح مصانع الرقاقات في كوريا الجنوبية وتايوان. ثم تتجه المياه المعالجة المُروَّقة إلى التصريف أو إلى إعادة الاستخدام بالتناضح العكسي، بينما تعود الكتلة الحيوية المترسبة إلى المرحلة 1 كمواد صلبة عالقة في السائل المختلط أو تُهدَر إلى مناولة الحمأة. ويُعد خفض النيتروجين بأكثر من 30% مقارنة بالأساليب التقليدية الدليل الكمي الرئيسي لبراءة الاختراع. وهذا الفارق هو ما يحققه تصميم المراحل الثلاث مقارنةً بخزان ترشيح نتراتي أحادي المرحلة.

حجم استخدام المياه داخل مصنع الرقاقات الحديث

يستهلك مصنع الرقاقات الحديث لأشباه الموصلات أكثر من 10,000 م³ من المياه فائقة النقاء (UPW) يوميًا. وتُمثّل عملية التنميط الميكانيكي الكيميائي (CMP) وحدها نحو 30-40% من إجمالي حجم مياه الصرف وحوالي ثلث استهلاك المياه فائقة النقاء (Environmental Science & Technology Letters، 2025). والمياه في مصنع الرقاقات هي الحامل لكل خطوة تنظيف للرقاقات، وليست تيارًا جانبيًا. فسحب المياه من نفس خط المياه فائقة النقاء يتم لشطف العمليات، والأحواض الكيميائية، وعجائن CMP، ومياه تبرئة أبراج التبريد، وتترك كل خطوة بصمتها الكيميائية الخاصة في مياه الصرف.

من حيث الامتثال للتصريف، يقترب استخدام المياه في مصنع الرقاقات من مصنع أدوية أو مصنع كيميائيات متخصصة أكثر من الصناعة الثقيلة العادية. فقد يُصرِّف المصنع الكيميائي النموذجي 5-15% فقط من إجمالي ما يسحبه على شكل مياه صرف ملوثة. أما مصنع الرقاقات فيشهد خروج نحو 100% من مياهه فائقة النقاء على شكل مياه صرف صناعية، يحمل معظمها مواد كيميائية يجب إزالتها قبل التصريف أو إعادة الاستخدام. ويُعد أساس 10,000 م³/يوم المرجع الذي ينبغي لمهندس التصميم استخدامه عند تحديد سعة المفاعلات البيولوجية، ووحدات التعويم بالهواء المذاب (DAF)، ومنصات التناضح العكسي (RO) لمنشأة مماثلة.

وحيثما يهيمن CMP على الحجم، فإنه يملي قيود التصميم الأولية. ولا تكتسب مراحل إزالة النيتروجين البيولوجية التي سجّلتها سامسونج وEcolab جدوى اقتصادية إلا بعد إزالة عجائن CMP عالية المواد الصلبة العالقة في المعالجة الأولية. وهذا التسلسل يقود تفصيل المصادر أدناه.

من أين تأتي مياه الصرف: CMP والترسيب والنقش

تُعد مياه صرف عجائن CMP التيار المهيمن من حيث الحجم. وتحمل تركيزات عالية من المواد الصلبة العالقة، مع مواد كاشطة أساسها السيليكا أو السيريا بأحجام تتراوح بين 50 و200 نانومتر، إلى جانب مؤكسدات متبقية مثل بيروكسيد الهيدروجين أو هيدروكسيد الأمونيوم. وتتراوح المواد الصلبة في مياه صرف CMP الخام عادة بين 200 و5,000 ملغ/لتر بحسب ما إذا كان التيار يُؤخذ عند الماكينة أو يُخلط مع مياه الشطف اللاحقة لـCMP. ويحول هذا الحمل الكيميائي دون التغذية المباشرة للوحدة البيولوجية: فالكاشطات تُفتّت الكتلة الحيوية، وتُعطّل بقايا المؤكسد حركية الترشيح النتراتي. لذا فإن المعالجة الأولية إلزامية وليست اختيارية.

تحمل مياه صرف الترسيب والنقش مركبات نيتروجينية: الأمونيا، ومُظهِرات المقاومات الضوئية المعتمدة على الأمينات مثل TMAH (هيدروكسيد رباعي ميثيل الأمونيوم)، والنترات من كيميائيات التنظيف، والنيتروجين العضوي من بقايا مزيلات المقاومات. ويشير طلب براءة الاختراع المشترك بين سامسونج وEcolab إلى خطر الإثراء الغذائي من هذه التيارات. فالنيتروجين في مياه الصرف المُصرَّفة يؤدي إلى استنزاف الأكسجين في الأنهار والمياه الساحلية المستقبلة (وفقًا لطلب البراءة المشترك، 2025). وهذه البصمة هي ما صُممت السلسلة البيولوجية الثلاثية لمعالجته.

تُشكّل مياه الشطف الفئة الثالثة. وهي أقل في القوة الكيميائية لكنها أعلى بكثير في الحجم. ويُقلل خلطها بمياه صرف CMP المركزة من سُمّية العجينة، لكنه يخفض أيضًا نسبة C/N في التغذية المجمّعة ويُعقّد عملية إزالة النترات. وتظل حصة CMP البالغة 30-40% من إجمالي حجم مياه الصرف الرقم الرئيسي لتوزيع المصادر عند تحديد سعة السلسلة. إذ يحتاج نحو ثلث التدفق الداخل إلى خطوة مخصصة لإزالة المواد الصلبة قبل أي وحدة بيولوجية.

لماذا يُعد النيتروجين المعيار الحاسم لتصريف مصانع الرقاقات

يُسبّب النيتروجين في مياه الصرف المُصرَّفة الإثراء الغذائي في الأنهار والمحيطات المستقبلة، وهي نقطة ذُكرت صراحةً في طلب براءة الاختراع المشترك بين سامسونج وEcolab. فبالنسبة لمصنع رقاقات يُصرِّف عشرات الآلاف من الأمتار المكعبة يوميًا، يكفي تجاوز إجمالي النيتروجين بمقدار 20 ملغ/لتر لإطلاق عدة مئات من الكيلوجرامات من النيتروجين في المجرى المائي يوميًا. وهذا الحمل كافٍ لإطلاق ازدهار الطحالب في المياه الساحلية المحصورة، لا سيما حول تجمعات مصانع الرقاقات في كوريا الجنوبية وتايوان حيث تتقاسم عدة مصانع نفس المصبّ.

يعاني الترشيح النتراتي أحادي المرحلة التقليدي مع تذبذب نسبة C/N في مصانع الرقاقات. فعندما تصل دفعة من مياه صرف مُظهِرات غنية بالأمينات إلى رأس المحطة، ترتفع نسبة C/N وتخسر بكتيريا الترشيح النتراتي ذاتية التغذية في حوض هوائي واحد الأكسجين لصالح البكتيريا غيرية التغذية. ويُفصل تصميم شطيرة ما قبل وبعد إزالة النترات بين الإزالة الكربونية والإزالة النيتروجينية. ولهذا يحافظ تصميم سامسونج على الأداء في حين ينزلق النظام أحادي المرحلة. ويُمثل خفض النيتروجين بأكثر من 30% في جوهره هامش الامتثال الذي يحققه تصميم المراحل الثلاث مقارنةً بتصميم أحادي المرحلة مرجعي.

تواجه مصانع الرقاقات في كوريا الجنوبية وتايوان عادةً حدودًا لإجمالي النيتروجين في نطاق 20-60 ملغ/لتر بحسب تصنيف المياه المستقبلة وأهداف إعادة الاستخدام. وقد يحقق خزان الترشيح النتراتي أحادي المرحلة إزالة للنيتروجين الكلي بنسبة 50-70% على تغذية مستقرة بأسلوب المياه البلدية. لكنه سيجد صعوبة في الحفاظ على 30 ملغ/لتر على تغذية مصنع رقاقات، حيث يمكن لارتفاع مفاجئ في الأمونيا من انسكابات TMAH أن يدفع إجمالي النيتروجين الداخل إلى عدة مئات من الملغ/لتر. وقد صُمم تصميم A/O الثلاثي (لاهوائي/هوائي/لاهوائي) ليتواءم مع هذا النمط من الأحمال.

كيف تُقارن سلسلة سامسونج بالمعالجة التقليدية لمصانع الرقاقات

يختلف أداء تصميم سامسونج/Ecolab الثلاثي عن إزالة النترات أحادية المرحلة التقليدية في خمسة معايير تشغيلية تحكم اختيار معدات مصانع الرقاقات.

تشير كل صف في الجدول إلى الاتجاه ذاته: تُقايض سلسلة المراحل الثلاث بين المساحة الأرضية والتكلفة الرأسمالية من جهة، والاستقرار في مواجهة التذبذب الحملي الذي يميز مياه صرف مصانع الرقاقات من جهة أخرى. وبالنسبة لمهندس التصميم، فإن القرار هو ما إذا كان هذا الاستقرار يستحق الحجم الإضافي للأحواض. وبالنسبة لسامسونج، كانت الإجابة نعم، لأن البديل هو تجاوز التصاريح الذي لا يستطيع التصميم أحادي المرحلة منعه.

ماذا يعني ذلك لمصنعكم للرقاقات أو الصناعي

لا تغطي براءة اختراع سامسونج/Ecolab طرف المعالجة الأولية في السلسلة، وهو الموضع الذي تفقد فيه معظم مصانع الرقاقات أداءها. فتحتاج تيارات CMP والتيارات عالية المواد الصلبة العالقة إلى معالجة أولية باستخدام نظام DAF للمعالجة الأولية لصلبات CMP أو مروّق ألواح مائلة لخفض المواد الصلبة العالقة إلى ما دون 100 ملغ/لتر قبل وصول مياه الصرف إلى الوحدة البيولوجية. وإرسال مياه العجائن مباشرةً إلى مفاعل حيوي غشائي يتسبب في انسداد الأغشية خلال أيام. وهذه الفجوة في براءة الاختراع هي الحاجة العملية الأكثر شيوعًا لأي مصنع رقاقات يخطط لتطوير على غرار تصميم سامسونج.

أما بالنسبة للتيارات النيتروجينية من الترسيب أو النقش، فإن منطق A/O الثلاثي (لاهوائي ثم هوائي ثم لاهوائي) هو الدرس القابل للتطبيق. ويمكن تنفيذه في نظام MBR لمرحلة إزالة النيتروجين البيولوجية أو في محطة مدمجة بتقنية MBBR. ويناسب مسار MBR مصانع الرقاقات ذات المساحات المحدودة وأهداف إعادة الاستخدام، لأن الحاجز الغشائي يحافظ على تركيز الكتلة الحيوية بين 8,000 و12,000 ملغ/لتر ويضغط الحجم المطلوب للأحواض بنحو 50% مقارنةً بالحمأة المنشطة التقليدية.

ولإعادة استخدام المياه، يمكن لـ تلميع التناضح العكسي لإعادة استخدام المياه في مصانع الرقاقات على الناتج البيولوجي أن يستعيد جزءًا ذا معنى من المياه بمعايير UPW ويحد من السحب من المياه الخام. ولا يزال يحتاج إلى ترشيح متعدد الوسائط قبل التناضح العكسي لحماية الأغشية من انتقال المواد الصلبة العالقة. ويمكن للقراء الذين يصممون سلسلة كاملة حول إزالة CMP والنيتروجين الرجوع إلى مرجع التصميم الهجين لمعالجة مياه صرف CMP ودليل معالجة مياه صرف مُظهِر TMAH للعمليات المساعدة.

الفئة المستهدفة والخطوة التالية

يستفيد مهندسو العمليات، وفرق EPC، ومديرو المشتريات الذين يُحددون سعة سلاسل معالجة مياه الصرف في مصانع الرقاقات أو الإلكترونيات المتقدمة من هذه المادة عندما تتقاطع حدود إجمالي النيتروجين مع صلبات CMP. أما المحطات ذات أحمال النيتروجين المستقرة بأسلوب البلديات وبدون عجائن كاشطة فيمكنها الحصول على نتائج كافية من تصميم أحادي المرحلة أبسط. وينبغي لتلك المواقع البحث عن إرشادات MBR للمحطات المدمجة الموجَّهة لهذا الاستخدام.

قبل تثبيت مخطط العمليات، طبّقوا قائمة المراجعة هذه. قيسوا حصة CMP من إجمالي التدفق وذروة المواد الصلبة العالقة. وتتبعوا منحنيات إجمالي النيتروجين وارتفاعات TMAH على مدار أسبوع إنتاج. وأكّدوا إجمالي النيتروجين المسموح به في التصريح بالملغ/لتر وأي هدف لإعادة الاستخدام. وحددوا معالجة الصلبة الأولية (DAF أو مروّق) قبل المعالجة البيولوجية. واختاروا المصدر الكربوني ونقطة الجرعة لإزالة النترات اللاحقة. واحجزوا المساحة لثلاثة أحواض مع حلقة إعادة تدوير. وخططوا للمعالجة الأولية للتناضح العكسي إذا كانت إعادة الاستخدام مطلوبة. وإذا كنتم تحتاجون سلسلة من CMP إلى إزالة النيتروجين مُصمَّمة وفق هذه القيود، فـ اطلبوا عرض سعر لمعالجة مياه صرف مصنع الرقاقات مع بيانات التدفق وإجمالي النيتروجين والمواد الصلبة العالقة لديكم.

الأسئلة الشائعة

ما هي السلسلة البيولوجية الثلاثية التي تستخدمها سامسونج للإلكترونيات في معالجة مياه صرف مصانع الرقاقات؟

طوّرت سامسونج بالشراكة مع Ecolab سلسلة بيولوجية من ثلاث مراحل تشمل خزان إزالة النترات الأولية، وخزان الترشيح النتراتي، وخزان إزالة النترات اللاحقة، تتبعها التهوية والترسيب وفصل الحمأة. وتعالج السلسلة مياه الصرف النيتروجينية الناتجة عن الترسيب والنقش. وتتجاوز نسبة خفض النيتروجين المقاسة 30% مقارنةً بالأساليب التقليدية أحادية المرحلة (وفقًا لطلب براءة الاختراع المشترك، 2025). ويمكن تصريف المياه المُروَّقة أو تلميعها لمزيد من إعادة الاستخدام.

لماذا تُعد إزالة النيتروجين أولوية لتصريف مصانع أشباه الموصلات؟

تحمل تيارات مياه صرف الترسيب والنقش الأمونيا والأمينات بما في ذلك TMAH ومركبات النترات التي تسبب الإثراء الغذائي في المياه المستقبلة. وتفرض تصاريح مصانع الرقاقات في كوريا الجنوبية وتايوان عادةً حدودًا لإجمالي النيتروجين في نطاق 20-60 ملغ/لتر. وقد صُمم تصميم A/O الثلاثي للحفاظ على نطاق الامتثال هذا في ظل التذبذب العالي لنسبة C/N في تغذية مصانع الرقاقات، حيث يفقد الترشيح النتراتي أحادي المرحلة السيطرة غالبًا أثناء ارتفاعات المُظهِرات أو مزيلات المقاومات.

هل تتعامل سلسلة سامسونج/Ecolab مع مياه صرف عجائن CMP؟

تغطي براءة الاختراع مراحل إزالة النيتروجين البيولوجية لكنها لا تصف المعالجة الأولية لـCMP. ومن الناحية العملية، يجب أولاً ترسيب أو تعويم مياه صرف عجائن CMP بحملها البالغ 200-5,000 ملغ/لتر من المواد الصلبة العالقة ومؤكسداتها المتبقية. وينبغي خفض المواد الصلبة إلى ما دون نحو 100 ملغ/لتر قبل السلسلة البيولوجية. وبدون هذه الخطوة، تُفتّت الكاشطات الكتلة الحيوية وتُثبّط بقايا المؤكسد الترشيح النتراتي.

ما هي نطاقات الأكسجين المذاب وزمن المكوث المطبقة على الترشيح النتراتي لمصانع الرقاقات؟

يُحافَظ على الأكسجين المذاب في خزان الترشيح النتراتي عادةً عند 2.0-3.0 ملغ/لتر لدعم بكتيريا أكسدة الأمونيا وبكتيريا أكسدة النتريت دون طاقة تهوية زائدة. ولا يُكشف عن زمن المكوث الدقيق في براءة اختراع سامسونج/Ecolab. وغالبًا ما يستخدم تصميم الترشيح النتراتي الصناعي التقليدي من 8 إلى 24 ساعة عند درجات حرارة متوسطة، مع مكوث أطول عندما تكون أحمال الأمونيا أقل أو أكثر تذبذبًا. وتحتاج معظم مصانع الرقاقات التي نراجعها زمن المكوث الأطول عندما تتكرر ارتفاعات TMAH.

كيف تُقارن السلسلة الثلاثية في جرعة الكربون وتذبذب نسبة C/N؟

يكون الطلب على الكربون الخارجي أقل وأكثر استقرارًا مقارنةً بتصميم إزالة النترات أحادي المرحلة، لأن المرحلة 1 تستهلك الكربون الأصلي والمرحلة 3 لا تجرع سوى النترات المتبقية. كما تكون الحساسية لتذبذب نسبة C/N أقل: تعمل إزالة النترات الأولية كمخزن للحمل الكربوني قبل المرحلة الهوائية. وهذا التخزين المؤقت هو السبب في إظهار السلسلة خفضًا للنيتروجين يتجاوز 30% مقارنة بالأساليب التقليدية في ظل تذبذب تغذية مصانع الرقاقات (وفقًا لطلب البراءة المشترك، 2025).