氮循環是如何應用到污水

『壹』 自然界氮循環示意圖

（1）圖示為氮循環，體現了生態系統的物質循環功能．農田生態系統中農副產品被大量輸出，只有輸入大量的物質，才能使農田生態系統的物質循環正常進行，故農田需要大量施加氮肥．氮循環涉及到的微生物有硝化細菌、反硝化細菌、氨化作用的細菌、圓褐固氮菌等固氮微生物，其中硝化細菌是生產者，氨化細菌為分解者．
（2）由圖可知，如果河流受到生活污水的污染，通過微生物和植物等共同作用，可以實現河流的自凈，這體現了生態系統具有自我調節能力，生態系統的這種能力稱為穩定性（抵抗力穩定性）．
（3）根瘤菌固定大氣中的氮氣供給豆科植物利用，豆科植物供給根瘤菌有機營養，二者的種間關系是互利共生．
故答案為：
（1）物質循環農田生態系統中農副產品被大量輸出，只有輸入大量的物質，才能使農田生態系統的物質循環正常進行生產者分解者
（2）自我調節穩定性（抵抗力穩定性）
（3）互利共生

『貳』 物質循環在環境保護中的意義，請具體。

物質循環就帶動了自然界中的物質發生改變，有的是環境污染物，這樣一來在很大的程度上就減輕了環境污染。如：
碳循環：由二氧化碳倍植物吸收變成有機性碳，在經過食物鏈轉移到動物中，植物和動物的呼吸作用產生二氧化碳，動物和植物的排泄物和殘體又回到了自然界中，由於腐化作用，殘體分解變成很多的有機物於自然界，經過了微生物的降解，有產生了二氧化碳。這是碳循環，腐化作用和微生物的作用都在環境保護中起著重要作用。
氮循環：是有固氮菌等微生物將大氣的氮氣固定，生產有機氮，在植物中的稱為植物性氮，經過食物鏈變成動物性氮，殘體和排泄物等將氮素放回大自然，經過了氨化作用，及硝化細菌和反硝化細菌等微生物又將這些氮素轉化為了氮氣，這就是一個循環。氨化作用，硝化作用和反硝化作用都在環境保護中起著重要作用。
磷循環：就是自然界中的磷被雨水或則淋溶作用而變成磷離子溶液（不太記得~~），被植物吸收，在經過食物鏈，動物吃到。殘體和分泌物回到大自然。經過了聚磷菌對於磷的吸收作用可以將環境中的磷除去。磷循環中，聚磷菌在環境保護中有重要作用，除磷~~~
還有硫循環~~~~都差不多吧！！

『叄』 為什麼氮循環里不能從硝化作用第一階段直接反硝化

反硝化反應在自然界具有重要意義，是氮循環的關鍵一環，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-減少，消除因硝酸積累對生物的毒害作用。它和厭氧銨氧化（Anammox）一起，組成自然界被固定的氮元素重新回到大氣中的途徑。農業生產方面，反硝化作用使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養的含量，對農業生產不利。農業上常進行中耕鬆土，以防止反硝化作用。在環境保護方面，反硝化反應和硝化反應一起可以構成不同工藝流程，是生物除氮的主要方法，在全球范圍內的污水處理廠中被廣泛應用。污水處理中所利用的反硝化菌為異養菌，其生長速度很快，但是需要外部的有機碳源，在實際運行中，有時會添加少量甲醇等有機物以保證反硝化過程順利進行。

『肆』 氮循環的人類干預

指人為的固氮作用，即化學氮肥的生產和應用，大規模種植豆科植物等有生物固氮能力的作物,以及燃燒礦物燃料生成NO和NO2。人為的固氮量是很大的，估計約佔全球年總固氮量的20～30%。隨著世界人口的增多，這一比例將會繼續上升。
農田大量施用氮肥,使排入大氣的N2O不斷增多。在沒有人為干預的自然條件下，反硝化作用產生並排入大氣的N2和N2O,與生物固氮作用吸收的N2和平流層中被破壞的N2O是相平衡的。N2O是一種惰性氣體,在大氣中可存留數年之久。它進入平流層大氣中以後，會消耗其中的臭氧，從而增加到達地面的紫外線輻射量。這可能會給人體健康帶來有害影響，對此還不很清楚。施用氮肥的農田排出的地面徑流，城市和農村的生活污水都把大量的氮排入河流、湖泊和海洋，常常造成這些水體的富營養化現象。
礦物燃料燃燒時，空氣中和燃料中的氮在高溫下與氧反應而生成氮氧化物(NO和NO2)。大氣受到氮氧化物的污染，是發生光化學煙霧和酸雨的一個重要原因。

『伍』 氮循環和磷循環

氮和磷存在於無機界,也存在於所有的有機體中,它們還是植物生長的重要營養鹽。但是,如果氮循環和磷循環不暢或受堵,就會引發生態災害。

氮在自然界中有3種存在形式:①存在於大氣中,如氣態氮N₂、N₂O、NH₃、NO等,統稱為無機氮;②存在於有機體中(所有的海生和陸生的動植物體中),稱為有機氮;③存在於水體(江河湖海及地下水)、沉積物和土壤中,存在於水體、沉積物和土壤中的氮比較特別,它既含有無機氮,也含有有機氮,如溶解的無機氮鹽(硝酸鹽、銨鹽)、溶解的有機氮和有機氮的顆粒物。

陸地氮循環示意圖

大氣向海洋補充氮示意圖

大氣中的氮,會被化肥廠用來作為原料,製造氮肥。氮肥施進農田後,一部分被農作物和其他植物吸收(還會通過食物鏈轉到動物體里),餘下的存在土壤里,它們會被流水搬運到江河湖海的水域里;豆類植物的根瘤菌也能吸收大氣中的氮,作為其本身的營養;某些陸生和海生的藍藻和綠藻在生長的過程中,也需要吸收大氣中的氮,作為養料;工業污染產生的酸雨(硝酸)、空中閃電和宇宙射線會促使大氣中的氮轉變為可溶於水的硝態氮(硝酸鹽),也會隨著大氣降水進入土壤和水體中。這樣,大氣中的氮,就進入到陸地和海洋的氮循環系統中。陸地中的氮,一部分隨水土進入海洋;另一部分會因生物體腐爛等途徑返回到大氣中。海洋中的氮,一部分由於人類和陸地生物的捕獲,返回陸地;一部分由於生物體腐爛,釋放回大氣中;最後一部分隨著生物體的屍體及它們的代謝產物沉入海底,被沉積物鎖定。這就是全球的氮循環。

海洋生物固氮補充示意圖

氮循環示意圖

大氣中沒有磷,磷存在於有機體和沉積物(岩石)中。所以,磷只在陸地、海洋和沉積物3個空間里循環。陸地中的磷礦(含鳥糞層)被開採製成磷肥;磷礦層和含磷岩石自然風化後所形成的磷,一部分會被農作物和其他植物吸收(同時通過食物鏈轉到動物體里),另一部分留存於土壤中;人類製造的洗滌劑、農葯和所排放的工業廢水與生活污水中,也含有磷。所有的陸地磷:陸地生物死亡後分解釋放出的磷,土壤和水體里所含有的磷,都會隨著流水進入海洋,流入海洋里的磷,以顆粒有機磷(生物體內的磷和有機碎屑磷)、溶解有機磷和溶解無機磷3種形式存在於海水中。海水裡的磷:一部分被海洋生物吸收,一部分由於人類捕撈返回陸地,大部分沉入海底,被封存在沉積物里。這就是磷循環的整個過程。

磷循環示意圖

依據科學家的研究,現在全球每年的化肥用量高達1.45億噸左右,與過去的50年相比,增加了10倍。化肥中,主要是氮肥、磷肥和鉀肥。根據上述氮循環和磷循環的原理,現在流入湖泊和海洋的氮與磷的總量,可能比50年前增加了10倍。大量的氮和磷進入湖泊和海洋後,釀造了湖泊和海洋的富營養化,已被富營養化了的水體,當其物理和化學條件特別是溫度,達到某些微生物的最適宜生長條件時,其中的微生物就會爆炸性地增殖,占據大片水域,並使其表層水變色。這種生態災害發生在湖泊里被稱為水華,發生在海洋里被稱為赤潮。水華和赤潮都會造成巨大的經濟損失,並危害我們的健康。

2007年5月,太湖爆發了歷史上最大的水華(因藍綠藻爆炸性的生長),局部湖水一片綠色,引起江蘇省無錫市自來水嚴重污染,不能飲用,直至7天後才恢復正常,造成了群眾恐慌和重大經濟損失。

太湖爆發了歷史上最大的水華

赤潮生物

近年來,赤潮在全球海域時有發生,而且規模和危害也越來越大。組成赤潮的藻類很多,我國有127種,全世界共有300餘種,如塔瑪亞歷山大藻、短裸甲藻、叉狀角藻、米金裸甲藻、旋鏈角毛藻、中華盒形藻和夜光藻等。赤潮並非都是赤色,但赤色較為常見,其次還有紅色、粉紅、黃色、茶色、褐色、土黃色、灰褐色和綠色等。赤潮爆發時,一方面,因其水體中的氧被赤潮生物消耗殆盡,造成水體缺氧,使海洋生物大量死亡;另一方面,因有些赤潮生物本身含有毒素(如鏈狀膝溝藻含有石房蛤毒素——一種劇毒的神經毒素)也會毒死大量的海洋生物。所以,赤潮不但會使海洋產業遭受重大損失,還會威脅我們的健康,應強令禁止「赤潮魚」上市,以保證人民生命安全。

赤潮造成魚類大量死亡

赤潮

『陸』 硝化細菌（好氧菌）降解氨氮（NH3-N）是如何工作

硝化細菌抄 ( Nitrifying bacteria ) 是一類好氧性細菌，包括亞硝酸菌和硝酸菌。生活在有氧的水中或砂層中，在氮循環水質凈化過程中扮演著很重要的角色。

AO工藝中缺氧池和好氧池，硝化細菌屬於好氧菌，主要是在好氧池中工作，

硝化細菌通過硝化作用氧化無機化合物獲取能量來滿足自身的代謝需求，並且以CO2作為唯一的碳源，是典型的化能無機營養菌。硝化細菌具有硝化作用，所謂硝化作用指的是硝化細菌在好氧條件下將NH3氧化為NO-，並進一步氧化為NO-3，從中獲得生長所需能源的過程

甘度氨氮去除菌種

『柒』 人類是如何干擾氮循環的,產生什麼樣的影響

自然界中以氮氣形態存在的氮稱為惰性氮，對生態環境沒有負面影響，在生產工業化以前，氮循環系統中，氮的收支是平衡的，即固氮作用和脫氨作用基本持平。當氮通過化學工業合成或燃燒後，就會被活化，形成氮氧化物和氮氫化物等物質，即加強了固氮作用。氮活化的途徑有三：一是人工固氮，將空氣中的氮氣轉化為氨；二是工業生產中燃燒煤、石油、天然氣等；三是固氮植物的作用。在循環系統中，氮收支是否平衡會關繫到活性氮對人類健康和生存環境積極或消極的影響。氮的過量「活化」，便使自然界原有的固氮和脫氨失去平衡，氮循環被嚴重擾亂，越來越多的活化氮開始向大氣和水體過量遷移，循環開始出現病態，導致全球環境問題。

『捌』 氮循環中含氮元素的物質是如何轉化的

氮循環 氮是生態系統中的重要元素之一，因為氨基酸、蛋白質和核酸等生命物質主要由氮所組成。大氣中氮氣的體積含量為78％，占所有大氣成分的首位，但由於氮屬於不活潑元素，氣態氮並不能直接被一般的綠色植物所利用。氮只有被轉變成氨離子、亞硝酸離子和硝酸離子的形式，才能被植物吸收，這種轉變稱為硝化作用。能夠完成這一轉變的是一些特殊的微生物類群如固氮菌、藍綠藻和根瘤菌等，即生物固氮；閃電、宇宙線輻射和火山活動，也能把氣態氮轉變成氨，即高能固氮；此外，隨著石油工業的發展，工業固氮也成為開發自然界氮素的一種重要途徑。

自然界中的氮處於不斷的循環過程中。首先，進入生態系統的氮以氨或氨鹽的形式被固定，經過硝化作用形成亞硝酸鹽或硝酸鹽，被綠色植物吸收並轉化成為氨基酸，合成蛋白質；然後，食草動物利用植物蛋白質合成動物蛋白質；動物的排泄物和動植物殘體經細菌的分解作用形成氨、CO2和水，排放到土壤中的氨又經細菌的硝化作用形成硝酸鹽，被植物再次吸收、利用合成蛋白質。這是氮在生物群落和土壤之間的循環。由硝化作用形成的硝酸鹽還可以被反硝化細菌還原，經反硝化作用生成游離的氮，直接返回到大氣中，這是氮在生物群落和大氣之間的循環。此外，硝酸鹽還可能從土壤腐殖質中被淋溶，經過河流、湖泊，進入海洋生態系統。水體中的藍綠藻也能將氮轉化成氨基酸，參與氮的循環，並為水域生態系統所利用。至於火山岩的風化和火山活動等過程產生的氨同樣進入氮循環，只是其數量較小.

『玖』 地下水系統的氮污染及氮循環機理

（一）地下水中的氮污染地下水中的溶解氮除了NO₃-N外，還有NO₂-N、

以及溶於水中的氣態氮（如N₂、N₂O）和有機氮。一般來說，NO₃-N是常量組分，其它是微量組分。NO₃-N變化很大，從0到900mg/L，例如，美國的得克薩斯州的魯尼爾斯是^〔9〕的NO₃-N，平均值為56mg/L，最高達903mg/L；我國陝西某居民遺址^〔1〕，地下水NO₃-N為100mgZL。NH₄—N在某些情況下也可能達較高的濃度，例如，油田水中的

一般都大於100mg/L；珠江三角洲的地下水^〔4〕中，

可達300mg/L。地下水中的

含量甚微，一般都小於0.01mg/L，有機氮小於1mg/L。

地下水中氮的來源主要是人為來源，但有些地方為天然來源，例如美國的得克薩斯州魯尼爾斯縣^〔11〕，地下水中大量的NO₃-N是由於耕作使土壤中有機氮轉化為NO₃-N，進而進入地下水的結果。除土壤中的有機氮外，沉積地層中地質成因的氮也是地下水的氮污染源。

圖5.1地下水污染途徑

氮的人為來源很多，主要是化學肥料、農家肥、生活污水及生活垃圾。農業肥料是地下水的重要污染源，所以，許多農業區地下水受NO₃-N污染；但是，城市生活污水及生活垃圾是更重要的氮污染源，所以城市化的結果必然會導致地下水的NO₃-N污染，例如我國的北京、西安、沈陽、開封等一些古老的大中城市，無一例外地出現地下水的NO₃-N污染。

地下水的氮污染主要是NO₃-N的污染，無論是國內或國外，它是最普遍的、污染面積最大的地下水污染。

（二）地下水系統中的氮循環機理

系統中的各種形態的氮在一定條件下可相互轉化。其轉化過程如下：

1.有機氮的礦化過程

它是指復雜的含氮有機物的礦化過程，更准確地說，是有機氮轉化為無機形式的NH₄-N的過程。這個過程是在細菌參加下的銨化過程，其細菌是異養型菌，可以是好氧菌或厭氧菌，所以，此過程可以在好氧條件下發生，也可以在厭氧條件下發生，但前者的反應速率更快。此過程有時也稱銨化過程（作用）。

圖5.2地下水污染途徑

2.硝化過程

它是使NH₄—N通過自養型微生物氧化為NO₃-N的過程。反應可分為兩步進行。第一步是NH₄-N通過亞硝化菌轉化為

水文地球化學基礎

第二步是NO₂-N轉化為NO₃-N

水文地球化學基礎

假定細菌細胞的分子式為C₆H₇NO₂，細菌細胞合成所需的碳源為

則其反應如下：

水文地球化學基礎

按（5.3）式算，使一毫克的

完全氧化為

則需氧4.27mg，需消耗鹼度7.07mg（以CaCO₃計），反應中產生H⁺，使pH降低。

3.反硝化過程

它是指使NO₃-N通過微生物還原為氣態氮（N₂,N₂O）的過程。參加反硝化作用的微生物通常是異養型細菌為主，故其細胞合成需有機碳作為能源。

NO₃-N的生物還原過程有一系列的中間產物：

NO、N₂O和N₂。其反應式可寫成：

水文地球化學基礎

（5.4）式可分解為下列三個主要反應：

水文地球化學基礎

上述反應中所消耗的H⁺主要來自有機物的氧化。一些學者認為，反硝化的主要產物是N₂O；只有pH＞7時，N₂O可迅速還原為N₂,pH＜6時，這個反應受強烈的抑制。

4.固氮作用（同化作用）有機氮礦化過程產生的

硝化過程產生

反硝作用產生氣態氮（N₂,N₂O）。

N₂O和N₂都可以通過微生物和植物吸收同化，轉化成有機氮。這個過程也稱為氮的同化作用。

上述四種類型氮的轉化構成了整個氮的循環系統。而在地下水系統中，氮轉化過程主要是前三個。除此之外，還有銨的吸附作用。

5.銨吸附作用

隨水向下運動過程中，可能被包氣帶岩土吸附在其表面上，它屬陽離子吸附（交換），是可逆的。這種作用A不產生氮的轉化，但它為硝化作用提供更充分的反應時間，使硝化作用更完全。所以，在研究地下水氮轉化時，絕不能忽略銨的吸附作用。]]

的吸附容量與土中的CEC及水中的AAR（銨吸附比）有關。AAR的數學表達式如下

水文地球化學基礎

式中，

Ca²⁺和Mg²⁺為水中這些離子的濃度（meq/L）。

AAR和EAR（銨吸附比）的關系遵循下列回歸方程^〔12〕

水文地球化學基礎

式中，EAR為銨吸附比，無量綱；NH₄x為土中的交換性銨，meq/100g;CEC為陽離子交換容量（meq/100g）。變換（5.10）式可得：

水文地球化學基礎

根據（5.10）式，只要測得土中的CEC值，水中的

Ca²⁺和Mg²⁺濃度，即可算得土中的NH₄x值。

例題5.1

試驗實例。土柱試驗，上層為耕作土，CEC=12.15meq/100g，總裝土量為4.12kg;下層為中砂，CEC=3.73meq/100g，總裝土量為14.16kg。用污水連續淋濾，污水中，NH₄-N=76mg/L，硬度（Ca²⁺+Mg²⁺）=229.7mg/L（以CaCO₃計）。連續淋濾45天，最後一天的滲出水中，NH₄-N=1.21mg/L，在此以前，均小於1mg/L，總淋濾水量＝45L。請用

吸附理論解釋滲出水NH₄-N遠小於污水NH₄-N的現象。

（1）把

和Ca²⁺+Mg²⁺換算為meq/L，代入（5.8）式，求得AAR=3.582;（2）把SAR代入（5.9）式，求得EAR=0.412;（3）將EAR值及CEC值（耕作土及中砂）代入（5.11）式，分別算得，NH₄x（耕作土）＝3.545meq/100g,NH₄x（中砂）＝1.088meq/100g;（4）將兩種土的NH₄x值分別乘以其裝土量，求得整個土柱的

吸附容量＝300meq，即該污水與土柱土達到吸附平衡時，

的吸附容量；（5）污水的NH廣N濃度乘以淋濾水量，得出輸入總NH₄-N量＝3420mg=244meq。上述計算說明，NH₄-N的輸入量（244meq）明顯小於土柱的

吸附容量（300meq）。所以污水中的

絕大部分被吸附，故滲出水中NH₄-N濃度遠小於污水中的NH₄-N濃度。

除了上述的氮轉化過程外，還有NH₃的揮發、NO₃-N的化學還原，這些是比較次要的，本書不詳述。

（三）影響氮轉化的環境因素及地質因素

1.環境因素

溫度硝化作用的溫度范圍是5—50℃，最佳溫度為30—35℃；反硝化作用的溫度范圍3—85℃，最佳溫度為35—65℃。

Eh值Eh＞250—300mV才產生硝化作用，Eh＜250—300mV才產生反硝化作用。

土壤含水情況土壤含水量為最大持水度的1/2到2/3時，硝化作用最強，過於乾旱及飽水不利於硝化作用；淹水土壤易於反硝化。許多實例證明，污灌稻田區潛水和污灌旱田區潛水相比，前者NO₃-N污染比後者輕。

污水及土壤中的養分硝化菌是自養型菌，它繁殖所須碳源為無機碳，反硝化菌是異養型菌，它繁殖所需碳源為有機碳。故污水及土壤中的碳源越豐富，硝化及反硝化越強烈。因此，其反應很大程度上決定於水中的碳氮比（C/N）。例如，以葡萄糖為有機碳源的反硝化作用為例：

水文地球化學基礎

（4.12）式表明，要使1mg

完全反硝化為N₂，至少需1.3mg的C。所以說，當C/N＞1.3時，反硝化才明顯。此外Ca、Mg、p、Fe、Mo、Co、Cu、Zn等元素也是硝化及反硝化菌所必須的。

2.地質因素

包氣帶岩性及其結構岩性粗粒，透氣性好，易保持氧化環境，有利於反硝化；粗細相間的包氣帶結構有利於反硝化。例如，北京東郊，包氣帶為粉砂及粘性土（亞砂土及亞粘土）相間，上層滯水豐水期埋深僅0.5m，潛水埋深＞10m；上層滯水，

L，最高為229mg/L；潛水，

多低於5mg/L。

潛水埋深一般來說，潛水埋深小一些利於反硝化，大一些，利於硝化。因為，潛水中的有機碳主要來自富集有機碳的表面土壤，埋深太大不利於有機碳進入含水層，所以其反硝化作用不強，

污染較嚴重。例如Starr和Gillham^〔13〕的研究表明，A和B兩地點均為農業強耕區。地點A，潛水埋深1m，潛水面下1m內，NO₃-N=20mg/L，水面1.5m以下，NO₃-N急劇下降至0.1mg/L，全部厭氣；地點B，潛水埋深4m，潛面下8m內，NO₃-N=35mG/L，全為好氣環境，溶解氧DO=7mg/L。

含水層類型NO₃-N污染主要對象為潛水；承壓水如沒有受NO₃-N污染的潛水向下越流，基本上無NO₃-N污染。其原因是，氮污染主要來自地表污染，隔水層起保護作用，這是其一；其二是，承壓含水層主要為還原環境，盡管反硝化可能不強，但水交替慢，所以反硝化可去除一部分氮。