图1 多种复杂工艺制造的太阳能电池

太阳能作为一种可再生能源，受到越来越多的关注，但制造太阳能电池需要使用大量的水，从而产生大量的工业废水。本文将用3个实例介绍太阳能工业中不断创新的供水和废水处理工艺。

为了高效率地生产出低成本的太阳能电池板，制造厂商会用到具有多种专有技术的复杂工艺。目前比较常用的两种太阳能电池分别是，硅晶圆太阳能电池和薄膜太阳能电池。太阳能电池制造厂商仍在持续不断开发和改进着这些制造工艺。

所有制造方法都需要使用大量的水，从而产生大量的工业废水。由于水资源日益变得愈加宝贵，所以有必要实施高效的水资源管理。

处理后的废水必须达到各项排放指标，才能够实现无污染排放。除了优化制造工艺以外，还需要优化废水处理过程。因此EnviroChemie公司深入开展研究工作，力求持续开发制造工艺从而显著提升水回收率。出于这个原因，必须将整个制造过程纳入考虑范围内，以求不仅达成“管道末端”解决方案，而且还要提供集成到制造中的解决方案。

在德国，废水处理标准很高。这些标准收录在废水条例（AbwV）的附录54中。此附录适用于那些污染物负荷主要来源于半导体部件和太阳能电池制造的废水，包括相关的预处理、中间处理和后处理。另外，还必须遵守由各地政府机构和城镇制订的地方法规。

下文将利用3个实例来说明太阳能工业中不断持续创新的供水和废水处理工艺。其中既有已经应用的项目，也有待开发的工艺。

图2  氟化物残留浓度以及pH值取决于Ca(OH)2的添加量

印度的太阳能电池制造业

在过去几年中，德国的晶圆和太阳能电池的生产正在越来越多地转移到海外，如印度。在某些情况下，印度对于处理后废水的要求与德国有所不同。

在印度，天然地下水和地表水含有高浓度的氟化物。在拉贾斯坦邦，几乎所有地区的饮用水和地下水源中都存在高浓度氟化物（最高达18ppm）。在拉贾斯坦邦南部，氟化物浓度高达11ppm（相比而言，德国的氟化物浓度仅为0.3ppm）。这些高浓度氟化物对人体有害并会导致慢性氟化物中毒。因此该地区法规对处理后水中的氟化物要求较为严格。普通废水处理厂排入到内陆地表水内的处理后废水以F计的氟化物浓度限值为2 mg/L。在德国，适用于氟化物的通常限值为50mg/L。而低于2mg/L氟化物浓度值就要求采用更多的工艺技术来满足。EnviroChemie为此开发并试验了一种相关的工艺规程（Envo-chem Sorp F）。

在Envochem COL L技术中的氟化物沉淀

氟化物废水处理通常按照公式1使用石灰来进行中和并将氟化物以氟化钙沉淀的形式除去。

Ca(OH)2+2HF=CaF2+2H2O（1）

实际上，采用Envochem COL L技术后，氟化物的最终浓度可以达到20 ~30mg/L（图2）。

图3 厌氧Biomar8工艺示意图

Envochem SORPF工艺

Envochem SORPF工艺是一种连续工作式废水处理工艺，基于深床式过滤吸收原理设计，用于清洁含氟化物的工业废水。自动化过滤器的3级式过滤装置（图3）消除氟化物，这些过滤器内填充着各种特殊过滤材料，最后一层过滤材料采用涂抹方式以获得最优的氟化物吸收效果。

图4显示了Envochem吸收装置的长期运行结果。对于超过120床的水量，进入氟化物浓度降低至一个持续较低的废水水平（几乎不受进入浓度的影响）。图中的进水和排水中的氟化物浓度以标准化数值的方式标明。最高达到了超过75%的去除率。在吸收能力耗尽后，可以看到排放浓度的突然上升现象。在吸收剂再生之后，废水质量再度恢复。

“零排放”概念

太阳能电池的生产正在越来越多地被转移到太阳辐射多的国家。在这些国家（例如南欧国家），通常存在着水资源严重短缺的现象。出于这个原因，“零排放”的水资源回收利用概念在这些国家有着很好的成本效益。

这一工艺概念是为一家客户设计的。从河流水处理至循环回收，建立了一套遵守“零排放”标准的完整水资源管理流程。要让这个循环达成闭合，就要对生产工艺非常了解。目标生产工艺是一套晶圆和太阳能电池生产系统（图5）。在此目标案例中，废水按照以下标准进行分级：

来自管理部门的卫生污水；

来自晶圆生产的含有机污染物的漂洗水；

来自太阳能电池生产的含有无机污染物的浓缩液；

被无机污染的清洗水。

污染程度较弱的清洗水经适当调节后采用反向渗透方式进行处理。渗透水送回至水处理厂前面环节用于生产高纯水。这样就有可能节约大量的水。

图5  水资源管理的完整流程

来自反向渗透的浓缩液以及其它废水在Envochem Col类型的物理化学处理装置内得到处理。为了让其稳定发挥功能，均匀的入流条件是重点所在。出于这个原因，各种浓缩液（来自非连续排放或返回的处理槽）将分别进行收集，然后加入到装置中，随后对预处理后的无机废水进行蒸发处理。所有有机污染废水随后接受一种厌氧类的Biomara型生物处理。以这种方式处理的清洁后废水将采用膜技术进行制备处理直至其可以用于冷却塔为止。

来自废水的能量

晶体硅制造太阳能电池的废水还可以用于生产能量。这些太阳能电池拥有最高的能效水平，但由于其所采用的原材料硅以及更为复杂的制造工艺，使得晶体硅制造太阳能电池比那些采用薄膜技术制造的太阳能电池更为昂贵。在整个制造过程中，第一部分的废水在整块晶圆锯片期间积聚形成。每一片薄晶圆都是从一个整块的硅晶上锯下来的。其目的是以最少的损失制造出尽量薄的晶圆。为了让这种锯末冷却以确保有效的切割作业，将使用大量的水，或者使用聚乙二醇（PEG）与金刚砂的混合物（Novak, 2011）。废水处理在此处的目标是保持水的循环供应并经过处理后将水排放掉。其中特别的挑战是仍然滞留在废水中的溶解PEG。根据其链长，PEG只能在很长的停留期后才能生物降解。生物降解性定义为生物需氧量（BOD5）的总体参数。在此，对5天内的生物降解性进行了测定。对于链较长的PEG，BOD5几乎为零，但BOD30数值几乎为100%。换句话说，PEG在30天的停留期后几乎可以完全降解。但是市政污水处理厂极少在设计中采用这样的停留时间或相应的高污泥龄。因此在小型污水处理厂内，高PEG负荷或者不会降解，或者不会降解至满意的程度。

在初始阶段，需要将固体从高度有机污染废水中除去。沉降、絮凝物理化学工艺在这个环节已经证明是可靠的。随后产出的滤液将只溶解有机成份。厌氧Biomar技术适用于进行生物处理。在高性能反应器内，高有机污染废水的总体参数COD被有效地去除掉了（图6）。

图6  PEG厌氧分解以及对应的体积负荷

除了生物需氧量以外，化学需氧量（COD）也用作一个评估废水的总体参数。图6所示为在一座EnviroChemie试点厂内获得的结果。其中COD消除率高达98%，并且体积负荷呈现稳定上升。与此同时，生物气作为一种能源物质而产出。

总结

未来采用太阳能电池以利用太阳能进行能量生产将变得越来越重要。但是，这种对环境友好的技术本身会根据制造工艺的异同产生不同污染程度的废水。

但是，水正在变成一种越来越宝贵的原材料。出于这个原因，必须将水中的毒性成分清除掉并将水回收再利用。沉降和吸收方法将用于实现这一目标，同时采用污水生物处理（厌氧/好氧）和膜工艺的方法来回收清洗水。除了水的循环回收以外，为了保护自然资源，从制造过程中回收高价值原材料也变得越来越重要。在此领域，EnviroChemie正通过各种研究项目大力开发各种创新技术。