Question

17．廢水中的氮常以含氮有機物、氨、硝酸鹽及亞硝酸鹽等形式存在．生物處理的方法是先將大多數(shù)有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，然后通過進一步轉(zhuǎn)化成N₂而消除污染．
生物除氮工藝有以下幾種方法：
【方法一】在好氧條件下，通過好氧硝化菌的作用，將廢水中氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為中間過渡形態(tài)的硝酸態(tài)氮和亞硝酸態(tài)氮；然后在缺氧條件下，利用反硝化菌，硝酸態(tài)氮和亞硝酸態(tài)氮被水中的有機物還原為氮氣，見圖中之①．反應(yīng)過程為如下（注：有機物以甲醇表示；當(dāng)廢水中有機物不足時，需另外投加有機碳源）．
2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺            2HNO₂+O₂═2HNO₃
6NO₃^-+2CH₃OH→6NO₂^-+2CO₂+4H₂O       6NO₂^-+3CH₃OH→3N₂+3CO₂+3H₂O+6OH^-
【方法二】與方法一相比，差異僅為硝化過程的中間過渡形態(tài)只有亞硝酸態(tài)氮．見圖中

請回答以下問題：
（1）NH₄⁺的空間構(gòu)型為正四面體．大氣中的氮氧化物的危害有破壞臭氧層和光化學(xué)污染、形成酸雨等．
（2）方法一中氨態(tài)氮元素1g轉(zhuǎn)化為硝酸態(tài)氮時需氧的質(zhì)量為4.57g．
（3）從原料消耗的角度說明方法二比方法一有優(yōu)勢的原因：節(jié)省氨態(tài)氮氧化到硝酸態(tài)氮所需消耗的氧，還可節(jié)省還原硝酸態(tài)氮到氮氣的有機碳源．
（4）自然界中也存在反硝化作用，使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養(yǎng)的含量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利，農(nóng)業(yè)上通過松土作業(yè)，以防止反硝化作用．其原因是增加與氧氣的接觸，防止反硝化作用．
（5）荷蘭Delft大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實驗室試驗確認了一種新途徑．在厭氧條件下，以亞硝酸鹽作為氧化劑，在自養(yǎng)菌作用下將氨態(tài)氮（氨態(tài)氮以NH₄⁺表示）氧化為氮氣（見圖中過程③）．其反應(yīng)離子方程式為NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;自養(yǎng)菌\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)銨根離子結(jié)構(gòu)分析判斷；
（2）根據(jù)化學(xué)方程式進行計算；
（3）對比方法一、二，發(fā)現(xiàn)方法一中將亞硝酸氧化到硝酸態(tài)，再用甲醇還原生成亞硝酸態(tài)的步驟；
（4）題中明確反硝化就是硝酸鹽還原成氮氣，故防止反硝化就是防止還原的發(fā)生，提供氧化劑即可；
（5）根據(jù)題干信息可知：反應(yīng)物是NO₂^-和NH₄⁺，有N₂生成，反應(yīng)中只有氮元素發(fā)生變價，結(jié)合質(zhì)量守恒定律可知：生成物還有H₂O，然后進行配平即可，注意反應(yīng)條件．

解答 解：（1）銨根離子是氨氣結(jié)合氫離子形成的陽離子，氮原子和氫原子形成四個共價鍵，結(jié)構(gòu)為正四面體，大氣中的氮氧化物的危害有形成光化學(xué)煙霧、酸雨、破壞臭氧層等危害，
故答案為：正四面體；破壞臭氧層、光化學(xué)污染、形成酸雨等；
（2）由2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺和2HNO₂+O₂═2HNO₃得
2NH₄⁺+4O₂═2HNO₃+2H₂O+2H⁺
36    128
1g    4.57g
故氨態(tài)氮元素1g轉(zhuǎn)化為硝酸態(tài)氮（硝酸態(tài)氮以HNO₃表示）時需氧氣的質(zhì)量為4.57g；
故答案為：4.57；
（3）在好氧條件下，通過好氧硝化菌的作用，將廢水中氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為中間過渡形態(tài)的硝酸態(tài)氮和亞硝酸態(tài)氮；然后在缺氧條件下，利用反硝化菌，硝酸態(tài)氮和亞硝酸態(tài)氮被水中的有機物還原為氮氣，與方法一相比方法二，差異僅為硝化過程的中間過渡形態(tài)只有亞硝酸態(tài)氮，從原料消耗的角度說明方法二比方法一有優(yōu)勢的原因是節(jié)省氨態(tài)氮氧化到硝酸態(tài)氮所需消耗的氧，還可節(jié)省還原硝酸態(tài)氮到氮氣的有機碳源，
故答案為：節(jié)省氨態(tài)氮氧化到硝酸態(tài)氮所需消耗的氧，還可節(jié)省還原硝酸態(tài)氮到氮氣的有機碳源；
（4）自然界中也存在反硝化作用，使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養(yǎng)的含量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利，農(nóng)業(yè)上通過松土作業(yè)，以防止反硝化作用，增加與氧氣的接觸，
故答案為：增加與氧氣的接觸，防止反硝化作用；
（5）反應(yīng)物是NO₂^-和NH₄⁺，生成物還有H₂O，N₂，電荷守恒和原子守恒寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式為：：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;自養(yǎng)菌\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O，
故答案為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;自養(yǎng)菌\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O．

點評 本題考查了氮及其化合物性質(zhì)、元素守恒的計算、過程分析判斷比較等知識點，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．