题目内容

17.废水中的氮常以含氮有机物、氨、硝酸盐及亚硝酸盐等形式存在.生物处理的方法是先将大多数有机态氮转化为氨态氮,然后通过进一步转化成N2而消除污染.
生物除氮工艺有以下几种方法:
【方法一】在好氧条件下,通过好氧硝化菌的作用,将废水中氨态氮转化为中间过渡形态的硝酸态氮和亚硝酸态氮;然后在缺氧条件下,利用反硝化菌,硝酸态氮和亚硝酸态氮被水中的有机物还原为氮气,见图中之①.反应过程为如下(注:有机物以甲醇表示;当废水中有机物不足时,需另外投加有机碳源).
2NH4++3O2═2HNO2+2H2O+2H+            2HNO2+O2═2HNO3
6NO3-+2CH3OH→6NO2-+2CO2+4H2O       6NO2-+3CH3OH→3N2+3CO2+3H2O+6OH-
【方法二】与方法一相比,差异仅为硝化过程的中间过渡形态只有亚硝酸态氮.见图中

请回答以下问题:
(1)NH4+的空间构型为正四面体.大气中的氮氧化物的危害有破坏臭氧层和光化学污染、形成酸雨等.
(2)方法一中氨态氮元素1g转化为硝酸态氮时需氧的质量为4.57g.
(3)从原料消耗的角度说明方法二比方法一有优势的原因:节省氨态氮氧化到硝酸态氮所需消耗的氧,还可节省还原硝酸态氮到氮气的有机碳源.
(4)自然界中也存在反硝化作用,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,农业上通过松土作业,以防止反硝化作用.其原因是增加与氧气的接触,防止反硝化作用.
(5)荷兰Delft大学Kluyver生物技术实验室试验确认了一种新途径.在厌氧条件下,以亚硝酸盐作为氧化剂,在自养菌作用下将氨态氮(氨态氮以NH4+表示)氧化为氮气(见图中过程③).其反应离子方程式为NH4++NO2-$\frac{\underline{\;自养菌\;}}{\;}$N2↑+2H2O.

分析 (1)依据铵根离子结构分析判断;
(2)根据化学方程式进行计算;
(3)对比方法一、二,发现方法一中将亚硝酸氧化到硝酸态,再用甲醇还原生成亚硝酸态的步骤;
(4)题中明确反硝化就是硝酸盐还原成氮气,故防止反硝化就是防止还原的发生,提供氧化剂即可;
(5)根据题干信息可知:反应物是NO2-和NH4+,有N2生成,反应中只有氮元素发生变价,结合质量守恒定律可知:生成物还有H2O,然后进行配平即可,注意反应条件.

解答 解:(1)铵根离子是氨气结合氢离子形成的阳离子,氮原子和氢原子形成四个共价键,结构为正四面体,大气中的氮氧化物的危害有形成光化学烟雾、酸雨、破坏臭氧层等危害,
故答案为:正四面体;破坏臭氧层、光化学污染、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
故氨态氮元素1g转化为硝酸态氮(硝酸态氮以HNO3表示)时需氧气的质量为4.57g;
故答案为:4.57;
(3)在好氧条件下,通过好氧硝化菌的作用,将废水中氨态氮转化为中间过渡形态的硝酸态氮和亚硝酸态氮;然后在缺氧条件下,利用反硝化菌,硝酸态氮和亚硝酸态氮被水中的有机物还原为氮气,与方法一相比方法二,差异仅为硝化过程的中间过渡形态只有亚硝酸态氮,从原料消耗的角度说明方法二比方法一有优势的原因是节省氨态氮氧化到硝酸态氮所需消耗的氧,还可节省还原硝酸态氮到氮气的有机碳源,
故答案为:节省氨态氮氧化到硝酸态氮所需消耗的氧,还可节省还原硝酸态氮到氮气的有机碳源;
(4)自然界中也存在反硝化作用,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,农业上通过松土作业,以防止反硝化作用,增加与氧气的接触,
故答案为:增加与氧气的接触,防止反硝化作用;
(5)反应物是NO2-和NH4+,生成物还有H2O,N2,电荷守恒和原子守恒写出反应的化学方程式为::NH4++NO2-$\frac{\underline{\;自养菌\;}}{\;}$N2↑+2H2O,
故答案为:NH4++NO2-$\frac{\underline{\;自养菌\;}}{\;}$N2↑+2H2O.

点评 本题考查了氮及其化合物性质、元素守恒的计算、过程分析判断比较等知识点,掌握基础是解题关键,题目难度中等.

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