氮循环是如何应用到污水

『壹』 自然界氮循环示意图

（1）图示为氮循环，体现了生态系统的物质循环功能．农田生态系统中农副产品被大量输出，只有输入大量的物质，才能使农田生态系统的物质循环正常进行，故农田需要大量施加氮肥．氮循环涉及到的微生物有硝化细菌、反硝化细菌、氨化作用的细菌、圆褐固氮菌等固氮微生物，其中硝化细菌是生产者，氨化细菌为分解者．
（2）由图可知，如果河流受到生活污水的污染，通过微生物和植物等共同作用，可以实现河流的自净，这体现了生态系统具有自我调节能力，生态系统的这种能力称为稳定性（抵抗力稳定性）．
（3）根瘤菌固定大气中的氮气供给豆科植物利用，豆科植物供给根瘤菌有机营养，二者的种间关系是互利共生．
故答案为：
（1）物质循环农田生态系统中农副产品被大量输出，只有输入大量的物质，才能使农田生态系统的物质循环正常进行生产者分解者
（2）自我调节稳定性（抵抗力稳定性）
（3）互利共生

『贰』 物质循环在环境保护中的意义，请具体。

物质循环就带动了自然界中的物质发生改变，有的是环境污染物，这样一来在很大的程度上就减轻了环境污染。如：
碳循环：由二氧化碳倍植物吸收变成有机性碳，在经过食物链转移到动物中，植物和动物的呼吸作用产生二氧化碳，动物和植物的排泄物和残体又回到了自然界中，由于腐化作用，残体分解变成很多的有机物于自然界，经过了微生物的降解，有产生了二氧化碳。这是碳循环，腐化作用和微生物的作用都在环境保护中起着重要作用。
氮循环：是有固氮菌等微生物将大气的氮气固定，生产有机氮，在植物中的称为植物性氮，经过食物链变成动物性氮，残体和排泄物等将氮素放回大自然，经过了氨化作用，及硝化细菌和反硝化细菌等微生物又将这些氮素转化为了氮气，这就是一个循环。氨化作用，硝化作用和反硝化作用都在环境保护中起着重要作用。
磷循环：就是自然界中的磷被雨水或则淋溶作用而变成磷离子溶液（不太记得~~），被植物吸收，在经过食物链，动物吃到。残体和分泌物回到大自然。经过了聚磷菌对于磷的吸收作用可以将环境中的磷除去。磷循环中，聚磷菌在环境保护中有重要作用，除磷~~~
还有硫循环~~~~都差不多吧！！

『叁』 为什么氮循环里不能从硝化作用第一阶段直接反硝化

反硝化反应在自然界具有重要意义，是氮循环的关键一环，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用。它和厌氧铵氧化（Anammox）一起，组成自然界被固定的氮元素重新回到大气中的途径。农业生产方面，反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤中氮素营养的含量，对农业生产不利。农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。在环境保护方面，反硝化反应和硝化反应一起可以构成不同工艺流程，是生物除氮的主要方法，在全球范围内的污水处理厂中被广泛应用。污水处理中所利用的反硝化菌为异养菌，其生长速度很快，但是需要外部的有机碳源，在实际运行中，有时会添加少量甲醇等有机物以保证反硝化过程顺利进行。

『肆』 氮循环的人类干预

指人为的固氮作用，即化学氮肥的生产和应用，大规模种植豆科植物等有生物固氮能力的作物,以及燃烧矿物燃料生成NO和NO2。人为的固氮量是很大的，估计约占全球年总固氮量的20～30%。随着世界人口的增多，这一比例将会继续上升。
农田大量施用氮肥,使排入大气的N2O不断增多。在没有人为干预的自然条件下，反硝化作用产生并排入大气的N2和N2O,与生物固氮作用吸收的N2和平流层中被破坏的N2O是相平衡的。N2O是一种惰性气体,在大气中可存留数年之久。它进入平流层大气中以后，会消耗其中的臭氧，从而增加到达地面的紫外线辐射量。这可能会给人体健康带来有害影响，对此还不很清楚。施用氮肥的农田排出的地面径流，城市和农村的生活污水都把大量的氮排入河流、湖泊和海洋，常常造成这些水体的富营养化现象。
矿物燃料燃烧时，空气中和燃料中的氮在高温下与氧反应而生成氮氧化物(NO和NO2)。大气受到氮氧化物的污染，是发生光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。

『伍』 氮循环和磷循环

氮和磷存在于无机界,也存在于所有的有机体中,它们还是植物生长的重要营养盐。但是,如果氮循环和磷循环不畅或受堵,就会引发生态灾害。

氮在自然界中有3种存在形式:①存在于大气中,如气态氮N₂、N₂O、NH₃、NO等,统称为无机氮;②存在于有机体中(所有的海生和陆生的动植物体中),称为有机氮;③存在于水体(江河湖海及地下水)、沉积物和土壤中,存在于水体、沉积物和土壤中的氮比较特别,它既含有无机氮,也含有有机氮,如溶解的无机氮盐(硝酸盐、铵盐)、溶解的有机氮和有机氮的颗粒物。

陆地氮循环示意图

大气向海洋补充氮示意图

大气中的氮,会被化肥厂用来作为原料,制造氮肥。氮肥施进农田后,一部分被农作物和其他植物吸收(还会通过食物链转到动物体里),余下的存在土壤里,它们会被流水搬运到江河湖海的水域里;豆类植物的根瘤菌也能吸收大气中的氮,作为其本身的营养;某些陆生和海生的蓝藻和绿藻在生长的过程中,也需要吸收大气中的氮,作为养料;工业污染产生的酸雨(硝酸)、空中闪电和宇宙射线会促使大气中的氮转变为可溶于水的硝态氮(硝酸盐),也会随着大气降水进入土壤和水体中。这样,大气中的氮,就进入到陆地和海洋的氮循环系统中。陆地中的氮,一部分随水土进入海洋;另一部分会因生物体腐烂等途径返回到大气中。海洋中的氮,一部分由于人类和陆地生物的捕获,返回陆地;一部分由于生物体腐烂,释放回大气中;最后一部分随着生物体的尸体及它们的代谢产物沉入海底,被沉积物锁定。这就是全球的氮循环。

海洋生物固氮补充示意图

氮循环示意图

大气中没有磷,磷存在于有机体和沉积物(岩石)中。所以,磷只在陆地、海洋和沉积物3个空间里循环。陆地中的磷矿(含鸟粪层)被开采制成磷肥;磷矿层和含磷岩石自然风化后所形成的磷,一部分会被农作物和其他植物吸收(同时通过食物链转到动物体里),另一部分留存于土壤中;人类制造的洗涤剂、农药和所排放的工业废水与生活污水中,也含有磷。所有的陆地磷:陆地生物死亡后分解释放出的磷,土壤和水体里所含有的磷,都会随着流水进入海洋,流入海洋里的磷,以颗粒有机磷(生物体内的磷和有机碎屑磷)、溶解有机磷和溶解无机磷3种形式存在于海水中。海水里的磷:一部分被海洋生物吸收,一部分由于人类捕捞返回陆地,大部分沉入海底,被封存在沉积物里。这就是磷循环的整个过程。

磷循环示意图

依据科学家的研究,现在全球每年的化肥用量高达1.45亿吨左右,与过去的50年相比,增加了10倍。化肥中,主要是氮肥、磷肥和钾肥。根据上述氮循环和磷循环的原理,现在流入湖泊和海洋的氮与磷的总量,可能比50年前增加了10倍。大量的氮和磷进入湖泊和海洋后,酿造了湖泊和海洋的富营养化,已被富营养化了的水体,当其物理和化学条件特别是温度,达到某些微生物的最适宜生长条件时,其中的微生物就会爆炸性地增殖,占据大片水域,并使其表层水变色。这种生态灾害发生在湖泊里被称为水华,发生在海洋里被称为赤潮。水华和赤潮都会造成巨大的经济损失,并危害我们的健康。

2007年5月,太湖爆发了历史上最大的水华(因蓝绿藻爆炸性的生长),局部湖水一片绿色,引起江苏省无锡市自来水严重污染,不能饮用,直至7天后才恢复正常,造成了群众恐慌和重大经济损失。

太湖爆发了历史上最大的水华

赤潮生物

近年来,赤潮在全球海域时有发生,而且规模和危害也越来越大。组成赤潮的藻类很多,我国有127种,全世界共有300余种,如塔玛亚历山大藻、短裸甲藻、叉状角藻、米金裸甲藻、旋链角毛藻、中华盒形藻和夜光藻等。赤潮并非都是赤色,但赤色较为常见,其次还有红色、粉红、黄色、茶色、褐色、土黄色、灰褐色和绿色等。赤潮爆发时,一方面,因其水体中的氧被赤潮生物消耗殆尽,造成水体缺氧,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(如链状膝沟藻含有石房蛤毒素——一种剧毒的神经毒素)也会毒死大量的海洋生物。所以,赤潮不但会使海洋产业遭受重大损失,还会威胁我们的健康,应强令禁止“赤潮鱼”上市,以保证人民生命安全。

赤潮造成鱼类大量死亡

赤潮

『陆』 硝化细菌（好氧菌）降解氨氮（NH3-N）是如何工作

硝化细菌抄 ( Nitrifying bacteria ) 是一类好氧性细菌，包括亚硝酸菌和硝酸菌。生活在有氧的水中或砂层中，在氮循环水质净化过程中扮演着很重要的角色。

AO工艺中缺氧池和好氧池，硝化细菌属于好氧菌，主要是在好氧池中工作，

硝化细菌通过硝化作用氧化无机化合物获取能量来满足自身的代谢需求，并且以CO2作为唯一的碳源，是典型的化能无机营养菌。硝化细菌具有硝化作用，所谓硝化作用指的是硝化细菌在好氧条件下将NH3氧化为NO-，并进一步氧化为NO-3，从中获得生长所需能源的过程

甘度氨氮去除菌种

『柒』 人类是如何干扰氮循环的,产生什么样的影响

自然界中以氮气形态存在的氮称为惰性氮，对生态环境没有负面影响，在生产工业化以前，氮循环系统中，氮的收支是平衡的，即固氮作用和脱氨作用基本持平。当氮通过化学工业合成或燃烧后，就会被活化，形成氮氧化物和氮氢化物等物质，即加强了固氮作用。氮活化的途径有三：一是人工固氮，将空气中的氮气转化为氨；二是工业生产中燃烧煤、石油、天然气等；三是固氮植物的作用。在循环系统中，氮收支是否平衡会关系到活性氮对人类健康和生存环境积极或消极的影响。氮的过量“活化”，便使自然界原有的固氮和脱氨失去平衡，氮循环被严重扰乱，越来越多的活化氮开始向大气和水体过量迁移，循环开始出现病态，导致全球环境问题。

『捌』 氮循环中含氮元素的物质是如何转化的

氮循环 氮是生态系统中的重要元素之一，因为氨基酸、蛋白质和核酸等生命物质主要由氮所组成。大气中氮气的体积含量为78％，占所有大气成分的首位，但由于氮属于不活泼元素，气态氮并不能直接被一般的绿色植物所利用。氮只有被转变成氨离子、亚硝酸离子和硝酸离子的形式，才能被植物吸收，这种转变称为硝化作用。能够完成这一转变的是一些特殊的微生物类群如固氮菌、蓝绿藻和根瘤菌等，即生物固氮；闪电、宇宙线辐射和火山活动，也能把气态氮转变成氨，即高能固氮；此外，随着石油工业的发展，工业固氮也成为开发自然界氮素的一种重要途径。

自然界中的氮处于不断的循环过程中。首先，进入生态系统的氮以氨或氨盐的形式被固定，经过硝化作用形成亚硝酸盐或硝酸盐，被绿色植物吸收并转化成为氨基酸，合成蛋白质；然后，食草动物利用植物蛋白质合成动物蛋白质；动物的排泄物和动植物残体经细菌的分解作用形成氨、CO2和水，排放到土壤中的氨又经细菌的硝化作用形成硝酸盐，被植物再次吸收、利用合成蛋白质。这是氮在生物群落和土壤之间的循环。由硝化作用形成的硝酸盐还可以被反硝化细菌还原，经反硝化作用生成游离的氮，直接返回到大气中，这是氮在生物群落和大气之间的循环。此外，硝酸盐还可能从土壤腐殖质中被淋溶，经过河流、湖泊，进入海洋生态系统。水体中的蓝绿藻也能将氮转化成氨基酸，参与氮的循环，并为水域生态系统所利用。至于火山岩的风化和火山活动等过程产生的氨同样进入氮循环，只是其数量较小.

『玖』 地下水系统的氮污染及氮循环机理

（一）地下水中的氮污染地下水中的溶解氮除了NO₃-N外，还有NO₂-N、

以及溶于水中的气态氮（如N₂、N₂O）和有机氮。一般来说，NO₃-N是常量组分，其它是微量组分。NO₃-N变化很大，从0到900mg/L，例如，美国的得克萨斯州的鲁尼尔斯是^〔9〕的NO₃-N，平均值为56mg/L，最高达903mg/L；我国陕西某居民遗址^〔1〕，地下水NO₃-N为100mgZL。NH₄—N在某些情况下也可能达较高的浓度，例如，油田水中的

一般都大于100mg/L；珠江三角洲的地下水^〔4〕中，

可达300mg/L。地下水中的

含量甚微，一般都小于0.01mg/L，有机氮小于1mg/L。

地下水中氮的来源主要是人为来源，但有些地方为天然来源，例如美国的得克萨斯州鲁尼尔斯县^〔11〕，地下水中大量的NO₃-N是由于耕作使土壤中有机氮转化为NO₃-N，进而进入地下水的结果。除土壤中的有机氮外，沉积地层中地质成因的氮也是地下水的氮污染源。

图5.1地下水污染途径

氮的人为来源很多，主要是化学肥料、农家肥、生活污水及生活垃圾。农业肥料是地下水的重要污染源，所以，许多农业区地下水受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，所以城市化的结果必然会导致地下水的NO₃-N污染，例如我国的北京、西安、沈阳、开封等一些古老的大中城市，无一例外地出现地下水的NO₃-N污染。

地下水的氮污染主要是NO₃-N的污染，无论是国内或国外，它是最普遍的、污染面积最大的地下水污染。

（二）地下水系统中的氮循环机理

系统中的各种形态的氮在一定条件下可相互转化。其转化过程如下：

1.有机氮的矿化过程

它是指复杂的含氮有机物的矿化过程，更准确地说，是有机氮转化为无机形式的NH₄-N的过程。这个过程是在细菌参加下的铵化过程，其细菌是异养型菌，可以是好氧菌或厌氧菌，所以，此过程可以在好氧条件下发生，也可以在厌氧条件下发生，但前者的反应速率更快。此过程有时也称铵化过程（作用）。

图5.2地下水污染途径

2.硝化过程

它是使NH₄—N通过自养型微生物氧化为NO₃-N的过程。反应可分为两步进行。第一步是NH₄-N通过亚硝化菌转化为

水文地球化学基础

第二步是NO₂-N转化为NO₃-N

水文地球化学基础

假定细菌细胞的分子式为C₆H₇NO₂，细菌细胞合成所需的碳源为

则其反应如下：

水文地球化学基础

按（5.3）式算，使一毫克的

完全氧化为

则需氧4.27mg，需消耗碱度7.07mg（以CaCO₃计），反应中产生H⁺，使pH降低。

3.反硝化过程

它是指使NO₃-N通过微生物还原为气态氮（N₂,N₂O）的过程。参加反硝化作用的微生物通常是异养型细菌为主，故其细胞合成需有机碳作为能源。

NO₃-N的生物还原过程有一系列的中间产物：

NO、N₂O和N₂。其反应式可写成：

水文地球化学基础

（5.4）式可分解为下列三个主要反应：

水文地球化学基础

上述反应中所消耗的H⁺主要来自有机物的氧化。一些学者认为，反硝化的主要产物是N₂O；只有pH＞7时，N₂O可迅速还原为N₂,pH＜6时，这个反应受强烈的抑制。

4.固氮作用（同化作用）有机氮矿化过程产生的

硝化过程产生

反硝作用产生气态氮（N₂,N₂O）。

N₂O和N₂都可以通过微生物和植物吸收同化，转化成有机氮。这个过程也称为氮的同化作用。

上述四种类型氮的转化构成了整个氮的循环系统。而在地下水系统中，氮转化过程主要是前三个。除此之外，还有铵的吸附作用。

5.铵吸附作用

随水向下运动过程中，可能被包气带岩土吸附在其表面上，它属阳离子吸附（交换），是可逆的。这种作用A不产生氮的转化，但它为硝化作用提供更充分的反应时间，使硝化作用更完全。所以，在研究地下水氮转化时，绝不能忽略铵的吸附作用。]]

的吸附容量与土中的CEC及水中的AAR（铵吸附比）有关。AAR的数学表达式如下

水文地球化学基础

式中，

Ca²⁺和Mg²⁺为水中这些离子的浓度（meq/L）。

AAR和EAR（铵吸附比）的关系遵循下列回归方程^〔12〕

水文地球化学基础

式中，EAR为铵吸附比，无量纲；NH₄x为土中的交换性铵，meq/100g;CEC为阳离子交换容量（meq/100g）。变换（5.10）式可得：

水文地球化学基础

根据（5.10）式，只要测得土中的CEC值，水中的

Ca²⁺和Mg²⁺浓度，即可算得土中的NH₄x值。

例题5.1

试验实例。土柱试验，上层为耕作土，CEC=12.15meq/100g，总装土量为4.12kg;下层为中砂，CEC=3.73meq/100g，总装土量为14.16kg。用污水连续淋滤，污水中，NH₄-N=76mg/L，硬度（Ca²⁺+Mg²⁺）=229.7mg/L（以CaCO₃计）。连续淋滤45天，最后一天的渗出水中，NH₄-N=1.21mg/L，在此以前，均小于1mg/L，总淋滤水量＝45L。请用

吸附理论解释渗出水NH₄-N远小于污水NH₄-N的现象。

（1）把

和Ca²⁺+Mg²⁺换算为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）将EAR值及CEC值（耕作土及中砂）代入（5.11）式，分别算得，NH₄x（耕作土）＝3.545meq/100g,NH₄x（中砂）＝1.088meq/100g;（4）将两种土的NH₄x值分别乘以其装土量，求得整个土柱的

吸附容量＝300meq，即该污水与土柱土达到吸附平衡时，

的吸附容量；（5）污水的NH广N浓度乘以淋滤水量，得出输入总NH₄-N量＝3420mg=244meq。上述计算说明，NH₄-N的输入量（244meq）明显小于土柱的

吸附容量（300meq）。所以污水中的

绝大部分被吸附，故渗出水中NH₄-N浓度远小于污水中的NH₄-N浓度。

除了上述的氮转化过程外，还有NH₃的挥发、NO₃-N的化学还原，这些是比较次要的，本书不详述。

（三）影响氮转化的环境因素及地质因素

1.环境因素

温度硝化作用的温度范围是5—50℃，最佳温度为30—35℃；反硝化作用的温度范围3—85℃，最佳温度为35—65℃。

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

土壤含水情况土壤含水量为最大持水度的1/2到2/3时，硝化作用最强，过于干旱及饱水不利于硝化作用；淹水土壤易于反硝化。许多实例证明，污灌稻田区潜水和污灌旱田区潜水相比，前者NO₃-N污染比后者轻。

污水及土壤中的养分硝化菌是自养型菌，它繁殖所须碳源为无机碳，反硝化菌是异养型菌，它繁殖所需碳源为有机碳。故污水及土壤中的碳源越丰富，硝化及反硝化越强烈。因此，其反应很大程度上决定于水中的碳氮比（C/N）。例如，以葡萄糖为有机碳源的反硝化作用为例：

水文地球化学基础

（4.12）式表明，要使1mg

完全反硝化为N₂，至少需1.3mg的C。所以说，当C/N＞1.3时，反硝化才明显。此外Ca、Mg、p、Fe、Mo、Co、Cu、Zn等元素也是硝化及反硝化菌所必须的。

2.地质因素

包气带岩性及其结构岩性粗粒，透气性好，易保持氧化环境，有利于反硝化；粗细相间的包气带结构有利于反硝化。例如，北京东郊，包气带为粉砂及粘性土（亚砂土及亚粘土）相间，上层滞水丰水期埋深仅0.5m，潜水埋深＞10m；上层滞水，

L，最高为229mg/L；潜水，

多低于5mg/L。

潜水埋深一般来说，潜水埋深小一些利于反硝化，大一些，利于硝化。因为，潜水中的有机碳主要来自富集有机碳的表面土壤，埋深太大不利于有机碳进入含水层，所以其反硝化作用不强，

污染较严重。例如Starr和Gillham^〔13〕的研究表明，A和B两地点均为农业强耕区。地点A，潜水埋深1m，潜水面下1m内，NO₃-N=20mg/L，水面1.5m以下，NO₃-N急剧下降至0.1mg/L，全部厌气；地点B，潜水埋深4m，潜面下8m内，NO₃-N=35mG/L，全为好气环境，溶解氧DO=7mg/L。

含水层类型NO₃-N污染主要对象为潜水；承压水如没有受NO₃-N污染的潜水向下越流，基本上无NO₃-N污染。其原因是，氮污染主要来自地表污染，隔水层起保护作用，这是其一；其二是，承压含水层主要为还原环境，尽管反硝化可能不强，但水交替慢，所以反硝化可去除一部分氮。