Sustainable Wastewater Treatment Solutions for the Semiconductor Industry
DAS Environmental Expertsは、半導体産業向けに、カスタマイズ可能で持続可能な排水処理ソリューションとリサイクルコンセプトを提供しています。私たちは、高い品質基準と個別のプロジェクト管理に基づいた排水処理プラントの構築を通じて、チップ製造における効率的な水利用を実現する信頼できるパートナーです。
半導体工場における水管理は、世界的な水不足を背景に、極めて重要なテーマとなっています。世界の水資源のうち淡水はわずか約3％しかなく、その多くが汚染や過剰使用の影響を受けています。大量の水を使用する半導体産業は、水使用量の最適化という課題に直面しています。革新的な排水処理技術や、環境に配慮した水処理設備は、淡水資源への負荷を低減するために不可欠です。
DAS Environmental Expertsは、産業分野におけるクリーンウォーター需要の高まりに対応し、同時に世界の水資源保全に貢献する持続可能な水処理システムを開発しています。半導体製造に革新的な水リサイクル技術を導入することで、企業は淡水使用量を大幅に削減できます。私たちの産業排水処理ソリューションは、半導体工場における水循環の閉ループ化を支援し、このかけがえのない資源を持続的に利用できる環境を実現します。
半導体産業における水の重要性
シリコンウェハー上でマイクロプロセッサを製造するプロセスは、半導体産業の中でも特に多くの資源を必要とする工程です。マイクロチップの製造には、膨大なエネルギー、水、薬品、ガスが使用されます。なかでも水の大量消費は、半導体産業におけるサステナビリティの大きな課題となっています。
チップ製造の過程で、シリコンウェハーはクリーンルーム内で1000を超える個別工程を通過し、その都度洗浄が必要となります。この洗浄には、エッチング工程でも使用される超純水（UPW：Ultrapure Water）が不可欠です。UPWの使用量は、半導体製造における資源効率に大きく影響する重要な要素です。
マイクロエレクトロニクスの環境影響は、重金属、酸、溶剤などの有害廃棄物の発生に顕著に表れます。これらは適切に処理されない場合、重大な環境汚染を引き起こす可能性があります。製造工程全体を通じて、硝酸、硫酸、フッ化水素、アンモニア、過酸化水素、イソプロパノールなどの化学物質や、各工程で発生する微粒子によって水が汚染されます。このため、半導体工場において効果的な排水処理は不可欠です。これらのプロセスを最適化することは、マイクロチップ製造のサステナビリティ向上や、半導体産業の環境負荷削減にとって極めて重要です。
産業排水・排ガス処理における30年の実績
35年以上にわたり産業用排水・排ガス処理に携わってきたDAS Environmental Expertsは、ドイツの精密工学と高品質な製造技術を体現しています。私たちの実績あるスケーラブルなソリューションは、ハイテク製造における個別の要件に対応するとともに、食品・飲料、化学、医薬品、化粧品など、幅広い業界において信頼性の高い排水処理を提供しています。
当社のプロジェクトアプローチは、排水量・排水組成、エネルギーや薬品使用の要件、設置スペース（フットプリント）、その他の設計条件、さらにリサイクル、間接排出、直接排出に必要な放流水質まで、お客様固有のニーズを包括的に考慮します。設備コンポーネントをドレスデンでプレファブ化することで、最高水準の品質と効率を保証しています。
ワンストップソリューション
当社の包括的なサービス範囲は、コンサルティング（ラボ試験・パイロット試験を含む）から、設計、プラント建設、試運転、最適化、そして排水処理設備のメンテナンスまで、あらゆる領域をカバーしています。幅広い生物学的・機械的・化学物理的プロセスを活用することで、お客様のプロセス排水・産業排水・廃水に含まれる特定汚染物質を、放流または再利用が可能なレベルまで低減します。
これらには以下の処理が含まれます：
有機汚染物質の除去
重金属およびその他の有害化合物の除去
化学機械研磨（CMP）廃水の処理
研削スラッジ（研磨残渣）の処理
フッ素およびヒ素を含む排水の処理
イソプロパノール（IPA）および揮発性有機化合物（VOCs）を含む排水の処理
処理水の再利用（ウォーターリサイクル）
排水からの有価金属の回収・再資源化
移動床生物膜リアクター（MBBR）を例とした、半導体産業における生物学的排水処理の活用
移動床生物膜リアクター(MBBR) は、柔軟性と高い処理効率を備え、産業排水に含まれる幅広い有機汚染物質を除去できる生物学的リアクターです。窒素・リン化合物の除去に優れ、COD・BOD・TOCなどで表される有機物の除去性能も高いことが特長です。
MBBRプロセスは堅牢で扱いやすく、スケールアップも容易なため、個々の顧客要件に合わせた設計が可能です。キャリア材を使用することで非常に高い汚泥滞留時間（SRT）が確保され、難分解性を含む多様な有機物質にも適応できます。また、活性汚泥法とは異なり余剰汚泥の発生量が少ないため、運転コストの削減にも貢献します。
MBBRプラント
エッチング工程排水の多段式生物処理向け
キャリア材
MBBRには、特殊な微生物が付着して増殖するための表面として機能する、疎に充填されたプラスチック製のキャリア材が使用されています。これらの自由に浮遊するキャリア材は、大きな表面積を持つことで高いバイオマス濃度を可能にします。
微生物は、有機性汚濁物質だけでなく窒素化合物の分解も担っています。長い水中滞留時間に加え、選択的な特化が進むこと、さらにキャリア内部の保護された空間により、MBBRプロセスは他の生物学的処理技術と比較して、格段に高い安定性と適応性を発揮します。
酸素供給と水流の混合制御
リアクター内には空気が送気され、酸素を供給するとともに、微生物が栄養分を取り込めるようサポートします。活性汚泥法と比較して固形物濃度が低いため、酸素移動効率が非常に高いことが特長です。また、曝気は排水とキャリア材を適切に混合し、リアクター内で均一な処理環境を維持する役割も果たします。
Biofilm growth
排水中の細菌などの微生物は、キャリア材の表面に付着してバイオフィルムを形成します。このバイオフィルムには多様な微生物が存在し、排水中の有機化合物を分解する役割を担っています。
汚染物質の分解
バイオフィルム内の微生物は、排水中に含まれる有機化合物やその他の汚染物質を栄養源として利用しながら分解します。この分解は、好気呼吸・嫌気呼吸・脱窒などの生化学的プロセスによって行われます。
浄化
微生物が汚染物質を分解した後、浄化された水はリアクターから排出されます。
バイオマスの大部分はリアクター内に残り、引き続き他の汚染物質の生物学的分解に利用することができます。また、バイオマスが活性汚泥として存在しないため、最終的に発生する余剰汚泥も少なくなります。
DAS EE は、さまざまな産業分野において MBBR の豊富な経験を有しています。
半導体産業における本技術の活用にあたっては、以下の技術プロセスの組み合わせを一例として推奨します。
・混合・均等化タンク（pH 調整、必要栄養素の添加、過酸化水素の分解促進）
処理水をバッファリングし条件を整えるためのタンクを 1 基設置します。
・好気性 MBBR（COD 分解および硝化） 2 基
有機物（COD）の分解と硝化プロセスを行います。
・無酸素（溶存酸素ゼロ）MBBR（硝酸態窒素の脱窒） 1 基
硝酸の除去を目的とした脱窒処理を行います。
・浮上分離装置（固形物の分離）
懸濁固形物を効率的に分離します。
・汚泥脱水用スラッジプレス
発生した汚泥を脱水するための設備です。
膜分離活性汚泥法（MBR）
半導体産業で使用可能なもう一つの排水処理方法として、膜分離活性汚泥法（MBR）が挙げられます。この方式では、活性汚泥法に膜ろ過を組み合わせることで、微粒子や活性汚泥を効果的に保持し、生物学的に処理された排水を放流する前に高い水質を確保します。
まず、排水は微生物を含む生物反応槽に導入されます。これらの微生物は排水中の有機汚染物質の分解に重要な役割を果たし、MBBR とは異なり、バイオフィルムではなく活性汚泥として存在しており、フロック状の懸濁物として水中に分散しています。また、生物群集の多様な微生物特性を活用するため、嫌気、無酸素、好気のタンクまたはゾーンが用いられます。しかし MBBR と異なり、微生物は 1 つのゾーンに留まるのではなく、すべての段階を移動します。
好気性微生物の活性を維持するため、反応槽には空気が供給され、好気的な増殖を促し、汚染物質の分解を加速します。一方、嫌気または無酸素ゾーンは空気を供給せずに撹拌されます。その後、処理水は MBR システムの膜ろ過を通過します。特別に設計された膜により、微粒子や活性汚泥が高い効率で保持されます。
膜の堆積物や閉塞を除去するため、定期的な逆洗が必要となり、通常は水流の反転や薬品洗浄が行われます。汚れの程度に応じて、アルカリ、酸、酵素系洗浄剤、または塩素系次亜塩素酸塩が使用されます。活性汚泥は膜槽の濃度が過剰にならないよう、前段へ返送されます。工程で発生した余剰汚泥もこの返送ラインから除去されます。最終的に、用途に応じて浄化水は再利用することも、中央排水システムへ放流することもできます。
また、さらに高い純度が必要な場合には、追加の高度処理プロセスを組み合わせることも可能です。この方式の利点には、処理水中に固形物が存在しないこと、高い活性汚泥濃度により反応槽容量を小さくできる可能性があること、ろ過能力を段階的に容易に増強できること、そして重力沈降方式に比べて固形物分離設備の設置面積を小さくできることなどが含まれます。
半導体産業における化学物理的排水処理
化学物理的排水処理は、重金属、有機化合物、酸・アルカリ、さらには粒子状物質をプロセス水から除去するために、複数のプロセスを組み合わせて行う処理方法です。
お客様の要件に応じて、最適な結果を得るためにどのプロセスを組み合わせるべきか、当社の専門チームが判断します。
化学物理的排水処理のソリューション
DAS EE が提供する主な処理プロセス：
ろ過
ろ過は、固体と液体を分離するための機械的プロセスです。
半導体産業では、特定サイズの粒子および分子を保持できる**膜ろ過（精密ろ過、限外ろ過、ナノろ過、逆浸透）**が特に適しています。これらの膜ろ過技術は、コロイド状物質や細菌の除去、水の脱塩にも使用することができます。
フローテーション
フローテーション（浮上分離）では、硫酸アルミニウムや塩化第二鉄などの凝集剤、さらにフロック剤を用いて、液体中に分散または懸濁している物質を除去します。
このプロセスは、MBBR における活性汚泥の分離など、他の処理工程で生じた粒子状不純物の除去にも効果的であり、後続の高度処理プロセスに水を送る前の重要な段階となります。
沈殿法（Sedimentation）
沈殿法は、浅く流れのほとんどないタンク内で、重力によって固形粒子を分離するために用いられます。タンクは一般的に滞留時間に基づいて設計されており、粒子が沈降し終えるまで水がタンク内に留まる必要があります。沈降速度が速いほど、必要な沈殿面積は小さくなります。
粒径に応じて、沈殿法は重力を利用して固形物を分離する、堅牢で低エネルギーかつシンプルなプロセスです。また、**ラメラセパレーター（斜板沈殿装置）**を使用することで、設置スペースをさらに最適化できます。
酸化・還元プロセス
酸化プロセスは、生物分解が難しい有機化合物の除去に使用されます。特に、過酸化水素やオゾンから生成されるヒドロキシルラジカルを用いた**光化学的浄化（UV照射による反応）**は非常に効果的です。こうした 高度酸化プロセス（AOP: Advanced Oxidation Processes） は、微量な汚染物質を確実に分解します。
また、このプロセスは、いわゆる**重金属キレート（錯体）**の分解にも利用することができます。
Adsorption and Chemisorption
吸着とは、物質が固体表面に蓄積される現象で、一般的にはファンデルワールス力によって引き起こされます。これに対し、化学結合によって物質が表面に固定される化学吸着（ケミソープション）は、通常の吸着とは異なり、しばしば不可逆的です。
吸着材として用いられる活性炭は、その多孔質な表面に多様な物質を吸着できる能力を有しています。その結果、PFAS（パーフルオロアルキル／ポリフルオロアルキル物質）などの有機化合物や、その他溶存物質を排水中から効果的に除去できます。
また、ドープド活性炭や水酸化鉄系の顆粒（鉄水酸化物吸着剤）は、汚染物質との反応により、ヒ素や重金属の除去に使用されます。
中和
中和は、pH 値を調整するために行われるプロセスです。沈殿処理や凝集・フロック形成などの工程の後には、必要に応じて酸またはアルカリを添加します。また、生物処理の前に中性付近の pH に調整することで、微生物が死滅しないよう保護する目的でも使用されます。
沈殿法（Precipitation）
沈殿法は、液体中に溶解していた物質を化学反応によって不溶化し、分離するための化学的プロセスです。重金属は、適切な薬剤を添加することで難溶性の金属水酸化物に変換し、沈殿させるのが一般的です。
また、フッ化物イオンなどのアニオンは、カルシウム塩、鉄塩、アルミニウム塩との反応により沈殿させることができます。さらに、鉄塩やアルミニウム塩は、リン酸の沈殿除去にも利用されます。
フロック化（Flocculation）
フロック形成（フロック化）は、水中に懸濁状態やコロイド状で存在する微細粒子を除去するためのプロセスです。フロック剤および助剤と呼ばれる適切な薬剤を使用することで、これらの微粒子を凝集させ、沈降可能な大きなマクロフロックへと成長させることができます。これにより、沈降性が向上し、残さの脱水性も改善されます。
イオン交換樹脂
イオン交換樹脂は、溶液中のイオンを別のイオンと交換することができる材料です。たとえば、カルシウムイオンをナトリウムイオンに置き換えることが可能です。イオン交換樹脂が飽和すると、再生処理を行う必要があります。
イオン交換は、重金属や特定のイオンを選択的に除去する目的で使用され、沈殿・凝集処理の後段に配置される「ポリスフィルター」としても活用されます。また、水の軟化、再塩化（再ミネラル化）、脱塩（脱イオン化）にも用いられます。
半導体産業では、極めて高純度の脱イオン水（超純水：ultrapure water）を製造するために、イオン交換技術は欠かせない工程となっています。
半導体産業では、環境規制を遵守しつつ資源を保全するために、排水を効果的かつ効率的に処理することが求められています。DAS Environmental Experts は、約 20 年にわたり産業排水処理の分野で、お客様のニーズに合わせたソリューションを提供してきました。これには、排水処理プラントの計画、設計、建設、さらには運転開始までが含まれます。同社は特に半導体産業において、生産プロセスのサステナビリティ向上に貢献する多様な選択肢を提供しています。
提供する技術には、Moving Bed Biofilm Reactor（MBBR）や Membrane Bio Reactor（MBR）といった生物学的処理に加え、ろ過、浮上分離、中和、吸着などの化学物理的処理が含まれます。最適な処理方法の選定は、汚染物質の種類、生産要件、そして地域の環境規制など、さまざまな要因に基づいて決定されます。
