本发明属于污水处理，具体涉及一种基于载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器的低氨氮废水处理方法及反应系统与应用。
背景技术：
1、污水的高效脱氮对于生态环境质量的保障十分必要。厌氧氨氧化(anaerobicammonium oxidation，anammox)是一种新兴的污水生物脱氮技术，近年来受到极大关注。anammox是指厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidizing bacteria，anaob)以no2-为电子受体，将nh4+氧化为n2的自养脱氮过程，如式(1)所示。相较于传统的全程硝化-反硝化污水生物脱氮工艺，anammox能够减少曝气量，不需要外加有机碳源，剩余污泥量少，可显著地降低运行成本。
2、nh4++1.32no2-+0.66hco3-+0.13h+→1.02n2+0.26no3-+0.66ch2o0.15n1.5+2.0
3、3h2o式(1)
4、目前，anammox技术主要在垃圾渗滤液、污泥消化液等高氨氮废水处理领域实现工程化应用，技术发展相对成熟。但是，anammox技术在常温环境下处理如城镇污水等低氨氮废水时的应用受限。究其原因，一方面是由于anaob生长缓慢且对温度等条件要求苛刻，常温下工艺启动时间长，在城镇污水等低氨氮污水处理过程中，进水温度往往低于30～40℃的anaob最适生长范围，若提升温度将会大幅度增加运行成本且较难以实现；另一方面，废水中no2-的不足使得厌氧氨氧化在实际应用中往往需要结合短程硝化等工艺运行，但在低氨氮浓度条件下，短程硝化等工艺产生的no2-往往不稳定，易被进一步氧化为no3-，使得anammox过程无法有效进行。因此，在低氨氮废水处理中要实现anammox的应用，需要解决低氨氮条件下因no2-来源不足导致传统的厌氧氨氧化效率低的问题，以提高脱氮效果及处理工艺的启动速度。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有的厌氧氨氧化技术在常温环境下低氨氮废水处理中存在因no2-来源不足导致传统厌氧氨氧化效率低、脱氮效果差的问题，而提供了一种基于载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器的低氨氮废水处理方法及反应系统与应用，在低氨氮进水且无外加no2-的情况下能实现污水的高效脱氮，提高脱氮速率且启动速度较快。
2、第一方面，本发明提供了一种低氨氮废水处理方法，该方法包括以下步骤：在厌氧流化床膜生物反应器中，加入载铁颗粒活性炭并接种混合污泥，引入待处理低氨氮废水进行脱氮处理，在脱氮过程中低氨氮废水通过循环泵的作用形成料液循环，且反应器中的载铁颗粒活性炭和混合污泥处于流化状态，然后通过膜分离后得到出水；所述混合污泥至少包括亚硝化-厌氧氨氧化污泥和铁厌氧氨氧化污泥；所述亚硝化-厌氧氨氧化污泥含有厌氧氨氧化菌和亚硝化菌；所述铁厌氧氨氧化污泥含有在低氨氮废水中能够通过铁厌氧氨氧化过程去除氨氮的微生物。
3、在一种优选的实施方式中，所述混合污泥的接种量为反应器有效容积的25～35％。
4、在一种优选的实施方式中，所述混合污泥的污泥浓度为20～30mg/l。
5、在一种优选的实施方式中，所述亚硝化-厌氧氨氧化污泥与铁厌氧氨氧化污泥的体积比为(1.5～3):1。
6、在一种优选的实施方式中，所述铁厌氧氨氧化污泥的驯化方法包括：将载铁颗粒活性炭、常规厌氧氨氧化污泥和含氮废水混合后在厌氧环境下驯化培养，所述含氮废水的初始nh4+-n浓度为100～200mg/l，nh4+-n与no2--n的浓度比为1:(1～1.5)，在驯化培养过程中的不同阶段阶梯式降低no2--n的浓度，直至nh4+-n与no2--n的浓度比为1:0并调整nh4+-n浓度为30～60mg/l，此时废水中的nh4+-n去除率在50％以上，即得到铁厌氧氨氧化污泥；所述常规厌氧氨氧化污泥含有厌氧氨氧化菌。
7、在一种优选的实施方式中，所述载铁颗粒活性炭、常规厌氧氨氧化污泥与含氮废水的用量比为(0.05～0.2)g:(0.5～1.5)ml:2ml。
8、在一种优选的实施方式中，所述载铁颗粒活性炭在厌氧流化床膜生物反应器中的体积填充率为10～30％。
9、在一种优选的实施方式中，所述低氨氮废水的氨氮浓度为30～60mg/l，温度为20～30℃，溶解氧浓度为0.1～0.4mg/l。
10、在一种优选的实施方式中，所述脱氮处理的水力停留时间为2.5～24h。
11、在一种优选的实施方式中，所述膜的通量为4～38l/(m2·h)。
12、在一种优选的实施方式中，所述载铁颗粒活性炭的制备方法包括以下步骤：采用三价铁源和二价铁源配置得到铁溶液，再加入颗粒活性炭和碱性溶液得到混合溶液并进行共沉淀反应，分离洗涤后即得到载铁颗粒活性炭。
13、在一种优选的实施方式中，所述铁溶液中fe3+与fe2+的摩尔比为(0.5～2):1。
14、在一种优选的实施方式中，所述铁溶液与颗粒活性炭的用量比为(4～6)ml:1g。
15、在一种优选的实施方式中，所述碱性溶液的用量为使得混合溶液的ph值为8～10。
16、在一种优选的实施方式中，所述共沉淀反应的条件包括：反应温度为50～70℃，反应时间为0.5～2h。
17、在一种优选的实施方式中，所述低氨氮废水处理方法在载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器中进行，所述载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器包括：厌氧反应罐、填充于厌氧反应罐内的载铁颗粒活性炭和设于厌氧反应罐内的膜组件，所述厌氧反应罐内设有相互连通的反应区和分离区，所述反应区内填充载铁颗粒活性炭和设有膜组件，所述厌氧反应罐设有进水口、出水口、循环水进口和循环水出口，所述进水口和循环水进口与反应区连通，所述循环水出口与分离区连通，所述膜组件的一端封闭且另一端与出水口连通，所述循环水进口与循环水出口之间通过管路连通且设有循环泵。
18、第二方面，本发明还提供了上述低氨氮废水处理方法在污水处理领域中的应用。
19、本发明针对常温下的低氨氮废水处理构建了一种基于载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器(anaerobic fluidized membrane bioreactor，afmbr)的废水处理方法以及对应的反应系统，低氨氮废水进入厌氧流化床膜生物反应器并通过循环泵的作用形成料液循环，其关键在于引入载铁颗粒活性炭并接种至少包括亚硝化-厌氧氨氧化污泥和铁厌氧氨氧化污泥的混合污泥，使得低氨氮废水在载铁颗粒活性炭以及混合污泥的协同作用下实现高效的脱氮处理，具有较高的脱氮速率，脱氮完成后通过膜分离得到出水。推测其原因可能在于：在铁厌氧氨氧化污泥的作用下，载铁颗粒活性炭中的fe(ⅲ)可代替no2-作为电子受体参与厌氧氨氧化过程，即发生铁氨氧化过程(feammox，如式(2)～(4)所示)，使得即使在低氨氮无no2-的进水情况下，也能够快速启动脱氮过程，且fe(ⅲ)的存在能够抑制硝化菌的作用，减少no2-氧化成no3-；同时，铁氨氧化产生的no2-参与厌氧氨氧化过程(anammox，如式(1)所示)，实现部分脱氮；另外，体系中的fe(ⅱ)与no3-可发生硝酸盐依赖型亚铁氧化过程(nitrate-dependent fe(ⅱ)oxidizing，ndfo，如式(5)所示)，驱动fe(ⅲ)/fe(ⅱ)的循环，减少fe(ⅲ)的消耗，促进no3-进一步还原为氮气，实现氮的脱除；载铁颗粒活性炭还能够作为导电材料促进微生物间的电子传递，且fe可促进厌氧氨氧化菌的生长和代谢，从而强化常温下生物脱氮过程；在进水低氧的情况下，混合污泥中的亚硝化-厌氧氨氧化污泥包括的亚硝化菌可以利用氧气将nh4+氧化为no2-(如式(6)所示)，为厌氧氨氧化过程提供no2-来源，进一步提高整体的脱氮效果和脱氮速率，而且消耗水中的氧气也能够为厌氧氨氧化和铁氨氧化过程提供更有利的反应环境。此外，混合污泥中的微生物也更能够适应常温下的低氨氮废水环境，有利于较快地达到稳定脱氮状态。
20、3fe(oh)3+5h++nh4+→3fe2++9h2o+0.5n2 式(2)
21、6fe(oh)3+10h++nh4+→6fe2++16h2o+no2- 式(3)
22、8fe(oh)3+14h++nh4+→8fe2++21h2o+no3- 式(4)
23、10fe2++2no3-+12h+→10fe3++6h2o+n2 式(5)
24、nh4++1.5o2→no2-+2h++h2o 式(6)
1.一种低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述低氨氮废水处理方法包括以下步骤：在厌氧流化床膜生物反应器中，加入载铁颗粒活性炭并接种混合污泥，引入待处理低氨氮废水进行脱氮处理，在脱氮过程中低氨氮废水通过循环泵的作用形成料液循环，且反应器中的载铁颗粒活性炭和混合污泥处于流化状态，然后通过膜分离后得到出水；所述混合污泥至少包括亚硝化-厌氧氨氧化污泥和铁厌氧氨氧化污泥；所述亚硝化-厌氧氨氧化污泥含有厌氧氨氧化菌和亚硝化菌；所述铁厌氧氨氧化污泥含有在低氨氮废水中能够通过铁厌氧氨氧化过程去除氨氮的微生物。
2.根据权利要求1所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述混合污泥的接种量为反应器有效容积的25～35％；
3.根据权利要求1所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述铁厌氧氨氧化污泥采用以下方法驯化得到：将载铁颗粒活性炭、常规厌氧氨氧化污泥和含氮废水混合后在厌氧环境下驯化培养，所述含氮废水的初始nh4+-n浓度为100～200mg/l，nh4+-n与no2--n的浓度比为1:(1～1.5)，在驯化培养过程中的不同阶段阶梯式降低no2--n的浓度，直至nh4+-n与no2--n的浓度比为1:0并调整nh4+-n浓度为30～60mg/l，此时废水中的nh4+-n去除率在50％以上，即得到铁厌氧氨氧化污泥；所述常规厌氧氨氧化污泥含有厌氧氨氧化菌。
4.根据权利要求3所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述载铁颗粒活性炭、常规厌氧氨氧化污泥与含氮废水的用量比为(0.05～0.2)g:(0.5～1.5)ml:2ml。
5.根据权利要求1所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述载铁颗粒活性炭在厌氧流化床膜生物反应器中的体积填充率为10～30％；
6.根据权利要求1所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述脱氮处理的水力停留时间为2.5～24h；优选地，所述循环泵的流量为1.5～3l/min；优选地，所述膜的通量为4～38l/(m2·h)。
7.根据权利要求1所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述载铁颗粒活性炭的制备方法包括以下步骤：采用三价铁源和二价铁源配置得到铁溶液，再加入颗粒活性炭和碱性溶液得到混合溶液，并将混合溶液进行共沉淀反应，分离洗涤后即得到载铁颗粒活性炭。
8.根据权利要求7所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述铁溶液中fe3+与fe2+的摩尔比为(0.5～2):1；
9.根据权利要求1所述的低氨氮废水处理方法，其特征在于，所述低氨氮废水处理方法在载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器中进行，所述载铁颗粒活性炭耦合厌氧流化床膜生物反应器包括：厌氧反应罐、填充于厌氧反应罐内的载铁颗粒活性炭和设于厌氧反应罐内的膜组件，所述厌氧反应罐内设有相互连通的反应区和分离区，所述反应区内填充载铁颗粒活性炭和设有膜组件，所述厌氧反应罐设有进水口、出水口、循环水进口和循环水出口，所述进水口和循环水进口与反应区连通，所述循环水出口与分离区连通，所述膜组件的一端封闭且另一端与出水口连通，所述循环水进口与循环水出口之间通过管路连通且设有循环泵。
10.权利要求1～9中任意一项所述的低氨氮废水处理方法在污水处理领域中的应用。
