干馏处理污泥制造生物炭(论文)10728.doc

密西西比国际水务公司干馏法处理污泥制备生物炭Dry Distillation Sludge Treatment Preparation of Biochar（干馏法为污水处理厂解决污泥处理难题）(Dry Distillation for Wastewater Treatment Plants to Solve Sludge Treatment Difficulties)摘要：污泥处置难，究竟难在哪？传统的污泥处置技术有填埋、堆肥、固化、土地利用、制造建材、干化焚烧、发电厂掺烧、水泥窑协同处理等等。为什么有如此多的处置方法，而污泥处置却成为全国性难题呢？如果对污泥问题全面分析，就会发现并不是污泥本身难处理，而是传统的污泥处置技术难实施！以往的研究过多地关注污泥本身的处理，缺乏从污水处理厂的角度去研究污泥处理需要克服的技术和非技术难题！作为污泥处理的责任实体，当一个污水处理厂计划进行污泥处理时，他们必须要解决：（1）污泥处理项目实施的独立性，（2）污泥处理项目的经济性，（3）污泥处理过程的可控性，（4）污泥处理系统的稳定性。干馏法处理污泥技术是专为污水处理厂解决其所面临的上述问题而开发的！干馏法处理污泥，使污水处理厂掌握了实施污泥处理项目的主动权，并使污泥处理项目实施具有了可操作性以及可控性。干馏法处理污泥解决了污水处理领域的一个难题，同时也解决了各国面临的土壤退化难题和无法大规模、低成本制造土壤改良急需的生物炭难题！科学家们将以生物质为原料，在无氧状态下干馏、热解所形成的一种炭质材料称为“生物炭”。理论上，任何植物或动物都可以在无氧环境下热解后形成生物炭。制造生物炭的生物质来源广泛，如污水处理厂污泥、生活垃圾，以及动物粪肥、稻米谷壳、花生壳、玉米秆、树木废料等。生物炭被称为“黑金”，广泛用于土壤改良。生物炭富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以改善土壤的透气性和排水性，蓄留植物根部所需水分，有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。事实上，之所以肥沃的土壤大都呈现黑色，就是因为含炭量高的缘故。采用干馏法，以污水处理厂污泥为原料，不仅可以低成本、大批量制造生物炭，而且避免了采用传统制造木炭的方法，使用木质材料制造生物炭对植被造成的潜在危害。干馏法处理污泥，以人类活动产生的废弃物制造生物炭，并将生物炭用于修复人类活动对环境造成的损害，实现了污泥的资源化、无害化、减量化处置。关键词：污水处理厂、污泥处理、干馏、生物碳、热解、碳化、土壤改良作者：张大伟，密西西比国际水务公司，电话：137-0118-1600，邮箱：Abstract: Sludge treatment is difficult, but what is actually difficult about it? Traditional sludge treatment methods include landfill, composting, stabilization, land application, conversion to construction materials, dehydration and incineration, co-firing power plants, cement kiln co-processing treatment etc. With so many treatment methods, how is sludge treatment still a national dilemma? If sludge treatment problems are comprehensively analyzed it becomes clear that the issue, rather than sludge being difficult to treat, is that traditional sludge treatment technologies are difficult to implement.Previous studies have focused too much on the treatment of sludge itself, lacking the perspective of wastewater treatment plants specific requirements to overcome their technical and non-technical difficulties. When implementing sludge treatment planning, as the party responsible for sludge treatment, wastewater treatment plants must address the issues of 1. Sludge treatment project implementation independence; 2. Sludge treatment project economy; 3. Sludge treatment process controllability, and; 4. Sludge treatment system stability.Dry Distillation Sludge Treatment Technology is specifically researched and developed to wastewater treatment plants to solve the above mentioned problems they face. Dry Distillation Sludge Treatment enables wastewater treatment plants to take the initiative in sludge treatment projects with controllability and operability.Dry Distillation Sludge Treatment resolves a difficulty in the field of wastewater treatment, while at the same time also resolving soil degeneration difficulties and the inability to achieve large scale, low cost production of biochar required for soil conditioning, facing countries around the world.Scientists use biomass as a feedstock, which is dry distilled and thermally decomposed in an oxygen free state to create a carbon material known as “biochar”. In theory, any plant or animal matter can form biochar by thermal decomposition in an oxygen-free environment.There is a wide range of biomass sources for production of biochar, such as wastewater treatment plant sludge, municipal solid waste, animal manure, rice husk, peanut shell, corn stalk, tree waste etc. Biochar, known as “black gold”, is a widely used soil conditioner. Biochar is highly porous, and not only replenishes soil organic matter content, but also improves soil permeability and drainage, retains moisture required in the plant root zone, effectively stores soil water content and nutriment and increases soil fertility. In fact, the reason fertile soils have a black color is due to their high carbon content.Using Dry Distillation, with wastewater treatment plant sludge as a raw material, not only are operating costs reduced and large quantities of biochar produced, but furthermore the hidden hazards to vegetation of traditional biochar manufacturing methods, using trees and wood carbon as feedstock, are avoided.Dry Distillation Sludge Treatment, producing biochar from waste generated by human activity, and using biochar to repair environmental damage caused by human activity, achieves sludge resource recovery, detoxification and volume reduction.Key Words: WASTEWATER TREATMENT PLANT, SLUDGE TREATMENT, DRY DISTILLATION, PYROLYSIS, BIOCHAR, THERMAL CRACKING, CARBONIZATION.Author: David Zhang, Mississippi International Water Co. Ph: 137-0118-1600; Email: 目 录一、污水处理厂面临的污泥难题4二、污泥处理难，究竟难在哪里？4三、污水处理厂处理污泥需要解决的问题6四、干馏处理污泥技术路线6五、干馏处理污泥流程及成分转化7六、干馏法处理污泥辅助燃料选择7七、干馏法处理污泥项目实施的独立性7八、干馏法对处理污泥全过程的可控性8九、干馏法处理污泥系统的稳定性8十、干馏法处理污泥项目的经济性8十一、干馏法处理污泥减少碳排放9十二、干馏法处理污泥的环境保护措施9十三、干馏法处理污泥技术知识产权10十四、干馏处理污泥费用分析11十五、干馏法处理污泥示范项目10十六、（干馏污泥所制造的）生物炭是什么？11十七、生物炭起源12十八、生物炭与中国“沃土工程”13十九、世界各国生物炭研究成果14二十、生物碳土壤改良剂的作用15二十一、密西西比公司生物炭应用技术研究和服务网络17一、污水处理厂面临的污泥难题 据中国建设部统计，截止2009年2月底运营污水处理厂的数量已达1572座，总处理污水量近7千万吨/天，每天产生的湿污泥量近10万吨。由污水处理厂的污泥造成的二次污染问题日趋严重，已成为影响城市周围环境的一大公害。污水处理行业长期以来“重水轻泥”，造成污水处理厂产生的污泥得不到妥善处理，外运污泥中的有机污染物通过各种途径又回到水环境中，使污水处理事倍功半。早一天解决污泥处理问题，就早一天减少污泥对环境造成的二次污染的扩大与蔓延，也就早一天减少它的危害所带来的严重后果，使污水治理得到延伸和完善。根据环保部的最新规定，污水处理厂是污泥处理的责任实体，将污泥是否规范化处置与减排指标挂钩。如果污泥处理不规范，污水处理过程中消减的 COD 减排量将不予核计。二、污泥处理难，究竟难在哪里？传统的污泥处置方法有很多，如填埋、堆肥、土地利用、制造建材、干化焚烧、发电厂掺烧、水泥窑协同处理等。为什么有如此多的污泥处置方法，而污泥处置却成为全国性难题呢？通过对污泥问题的全面分析，人们会发现并不是污泥本身难处理，而是传统的污泥处置技术难实施！由于受法规、政策、土地、环境、费用等诸多因素制约和影响，传统的污泥处置技术在实施过程中均遭遇到了瓶颈！项目实施缺乏独立性、污泥处置系统缺乏稳定性、污泥处置过程缺乏可控性、污泥处置项目缺乏经济性。2.1污泥填埋（堆存）处理我国大多数地方的污泥填埋实际上并非卫生填埋，只是简单堆存。由于污泥的高含水率，污泥在填埋过程中会堵塞渗滤液收集管道，使系统瘫痪。另外，粘稠的污泥会在堆填场地内形成沼泽状，作业机械无法正常作业施工。由于污泥的流动性和不稳定性，容易发生堆体坍塌事故，如深圳下坪场“崩塌”事件。因此，2007年建设部出台的城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质标准和2008年环境保护部出台的生活垃圾填埋污染控制标准（GB168892008）中都明确规定，污泥混合填埋含水率应小于60%。据报道，将污泥机械脱水到60%以下，需要添加相当数量的化学药剂，而且脱水污泥仍然存在重新吸水产生二次泥浆化的风险。填埋需要占用大量的土地资源，是不可持续的处理方法。2.2污泥堆肥处置污泥堆肥在国内很少有成功的案例，主要问题在于：2.2.1 堆肥厂恶臭问题对周围环境影响巨大，甚至造成周围环境灾难；2.2.2 适合于堆肥生产的场地难以寻找；2.2.3 堆肥产品在使用过程中受政策、法规制约，国家明确规定不允许用于蔬菜、水果等植物，对使用的方式、方法也有很多限制；2.2.4 堆肥处理过程和产品质量难以控制。2.2.5 污泥堆肥过程中排放大量的甲烷和二氧化碳。2.3污泥制作建材（制砖）通过广东省发生的铬德污泥处理厂“臭源事件”，许多人清醒认识到污泥制砖技术路线面临的困境，主要原因在于：2.3.1污泥制砖没有解决污泥的无害化问题；2.3.2制砖生产工艺消纳的污泥量有限，无法消纳污水处理厂每天源源不断产生的污泥；2.3.3污泥运输、堆放造成的环境污染，特别是恶臭问题尤为突出；2.3.4 国家未出台污泥制砖产品相关质量标准，从而造成销售困局，影响项目正常运作。2.4污泥干化焚烧干化焚烧项目投资和运行费用较高。如上海市石洞口200t/d城市污泥处理厂的处理费为350元/吨（不含运输费）。因此，高成本的焚烧法只被少数有条件的城市采用。而且，干化焚烧项目建设审批手续复杂，焚烧过程中的烟气处理要求严格。目前社会环保意识增强，污泥焚烧项目选址也非常困难，2010年1月24日广东佛山400多人自发聚集，戴口罩游行，反对建造污泥焚烧项目。2.5水泥窑协同处置水泥窑协同处置城市污泥技术比较成熟。利用水泥窑的高温尾气干化污泥，污泥中的水分减少到20%，提高污泥的热值，可以作为替代燃料进行煅烧。但考虑到水泥生产条件的稳定性以及水泥产品的质量，污泥的添加量一般不能超过水泥熟料的10%。一座日产6,000t的水泥厂，每天处理污泥的数量不能超过600t。水泥窑处置污泥还面临运输距离长，运输费用高，造成运行成本偏高（接近250元/吨）。国家并未出台污泥制水泥产品相关质量标准，污水处理厂是污泥处理的责任主体，对由污泥生产的水泥在使用过程中所产生的环境风险具有连带责任关系，这也是污水处理厂不得不面对的一大难题。2.6污泥焚烧的二恶英和氮氧化物问题无论是污泥干化焚烧、发电厂掺烧还是水泥窑协同烧，污泥中的氯和氮在燃烧过程中都将生成二恶英和氮氧化物，这两种均是严重危害人体健康的物质。在污泥焚烧过程中实际上既无法靠燃烧温度控制二恶英产生，而且由于尾气处理费用太高，也无法真正对大量的烟气进行处理而避免二恶英排放。另外，还有大气中二恶英在污泥焚烧厂周围区域富集的问题，更忽略了污泥焚烧过程中严重的氮氧化物排放问题，污泥中含有大量的氮，污泥焚烧排放的氮氧化物是煤炭燃烧排放的氮氧化物4至10倍。污泥焚烧的环境保护半径不低于5公里，污泥有机质含量是城市生活垃圾的5倍到8倍，因此污泥焚烧造成的污染比垃圾焚烧更严重！三、污水处理厂处理污泥需要解决的问题3.1污泥处理项目实施应具有独立性污水处理厂能够独立实施处理污泥项目，不需要寻求和依赖外界的合作，不受外部条件的制约。3.2污泥处理过程应具有可控性污水处理厂作为污泥处理的责任主体，能够监控污泥处理的全过程，避免由于外部处理污泥单位造成环境污染问题时，所负的连带责任。3.3、污泥处理系统应具有稳定性3.3.1污泥处理应该保证彻底的无害化，避免出现二次泥浆化、二次污染的现象；3.3.2污泥处理系统设备运行不受污泥含水率波动的影响，能够保持稳定运行；3.3.3污泥处理能够满足国家相关标准的要求；3.3.4污泥处理过程中，对周围空气、水源、生态环境不造成任何污染；3.3.5污泥处理系统设备操作简单、维修方便，能够保持全年连续运行。3.4污泥处理项目应具有经济性3.4.1处理污泥设施的总投资费用和运行成本应在污水处理厂可承受的范围之内；3.4.2污泥处理设施占地面积不能太大；3.4.3将污泥中的有效成分转化为具有使用价值的物质，降低污泥处理费用。四、干馏处理污泥技术路线（1）干馏法处理污泥是在密封、无氧、非燃烧、高温状态下进行的化学反应过程，对污泥进行高温加热，在干馏和热分解的作用下，将有机物转化为水蒸气、不凝性气体和炭，包括汽化、热解、脱氢、热缩合、炭化等反应，将污泥中的水分蒸发，有机物转化为可燃气体和有机碳。将燃料的燃烧与污泥的干馏分别在两个独立的空间进行。通过气体燃烧室的阶段性升温，将污泥中的水分蒸发，有机物逐渐固化和碳化。使污泥成分价值的最大化，使污泥处理过程中能够产生剩余价值，变得有利可图。（2）通过干馏处理，将污泥中的主要成分在干馏处理过程中转化为可利用的冷凝水、可燃气体和生物有机碳，将干馏产生的可燃气体进行回收利用，不仅避免了空气的污染，而且还节约能源。五、干馏处理污泥流程及成分转化5.1 生化系统污泥带式或板框压滤机螺杆泵干馏处理污泥机组；5.2 污泥中的水分蒸发混合汽分离冷凝水净化处理煤气发生炉补水；5.3 污泥中的有机挥发分热解混合汽分离甲烷（不凝可燃）气干馏机组燃料二氧化碳和水；5.4 污泥中的碳元素脱氢碳化冷却生物有机碳统一回收土壤改良；5.5 污泥中的各种细菌高温灭菌；5.6 污泥中的金属高温氧化钝化、灰分固化。六、干馏法处理污泥辅助燃料选择污泥干馏机组的燃料除了利用干馏处理污泥过程中产生的不凝可燃气（甲烷气）外，不足部分使用辅助燃料，辅助燃料可以采用厌氧处理系统产生的、经过脱硫处理的沼气，可以使用煤制气等，上述燃料均为国家允许使用的清洁能源，在使用过程中没有污染物排放。七、干馏法处理污泥项目实施的独立性污水处理厂采用传统的填埋、堆肥、焚烧等污泥处置工艺，污水处理厂本身无法独立实施，均受条件、环境、数量等方面因素制约和影响，必须寻求或依赖外界的合作。采用干馏法污泥处理技术，污泥在污水处理厂内（污泥干馏处理车间）进行处理，使污水处理厂可以完全独立实施污泥处理，不受任何外部条件、环境、数量等方面因素制约和影响，不需要寻求或依赖外界的合作，摆脱污水处理厂在进行污泥处理时，所受到的外部条件制约。由于传统的填埋、堆肥、焚烧等污泥处理工艺对处理设施周围的环境有很大的影响，因此需要进行严格的立项、环评等审批手续。干馏处理污泥过程中，对污水处理厂周围的环境不产生任何污染，只是在污水处理厂内（污泥干馏处理车间）安装1台或多台干馏污泥机组，属于技术改造，因此，避免了繁杂的立项、环评、审批等手续。八、干馏法对处理污泥全过程的可控性作为污泥处理的责任主体的污水处理厂，采用传统的填埋、堆肥、焚烧、制作建材等污泥处置工艺时，对污泥运输、污泥处理过程或污泥副产品使用过程中容易产生的环境污染、水污染、空气污染、土壤污染等很多环节都无法控制。干馏法处理污泥，使作为污泥处理的责任主体的污水处理厂对污泥处理全过程具有可控能力。干馏法处理污泥过程是在污水处理厂内进行，避免外部处理污泥单位造成环境污染问题时，所负的连带责任。干馏法将污泥进行机械脱水后，输送到污泥干馏机组内，污泥干馏处理的全过程均在封闭的设备内进行，污泥干馏处理过程中与大气、环境隔绝，对周围空气、水源、生态环境不造成任何污染。干馏法将污泥在污水处理厂内就地处理，避免了污泥运输过程中可能造成的环境污染问题。九、干馏法处理污泥系统的稳定性9.1干馏法处理污泥，不受污泥含水率的影响，含水率85%均可处理。9.2干馏法处理污泥时，热解室的温度在600以上，污泥中的病原微生物和寄生虫卵全部被彻底灭杀。9.3干馏法处理污泥系统设备操作简单、维修方便，能够保持全年连续稳定运行。9.4干馏处理污泥制造的产品为生物有机碳，其化学性能稳定，用途广泛，并能够长期保存。9.5干馏法处理污泥，能有效控制污泥中的重金属排放，特别是Hg、Ti，来自污泥的重金属被钝化并固定在灰分中。十、干馏法处理污泥项目的经济性10.1 干馏法处理污泥是在全封闭状态下进行，并对干馏过程中的余热进行了充分回收，不仅仅减少热损失，同时节约了大量的能源，减少了二氧化碳排放。处理每吨污泥（含水率80%）耗热量（热损失）80-90万kcal，耗电10.7kWh。10.2以日处理100吨(含水率80%)污泥项目为例，占地面积为980平方米,平均每吨污泥处理设施占地9.8平方米。10.3以日处理400吨污泥为例，全年处理污泥14.6万吨。污泥干馏后制成的生物炭约1.46万吨，生物碳出售（被回收）可获利876万元；将冷凝水回收、净化后利用，每年可节约自来水约10.58万吨，节约水费21.17万元；节约污泥运输费365 万元，每年节约运行成本约1,262.17万元，折合节约每吨污泥处理费用86.45元。10.4干馏法处理污泥过程中产生的副产品即生物有机碳具有很高的附加值，生物碳化学性能稳定，用途广泛，并能够长期保存，通常作为土壤改良剂用于园林、花卉、草原、农业、高尔夫球场草坪等。十一、干馏法处理污泥减少碳排放11.1由于污泥热裂解是在与空气隔绝、无氧状态下进行的，因此污泥中的碳无法变身有害的二氧化碳，而是转化为挥发可燃气体。11.2干馏污泥制造的生物碳被埋在土壤里，吸收土壤中的二氧化碳，防止土壤中的二氧化碳进入大气，使农地成为大型的碳存库。11.3干馏法处理污泥过程中虽然消耗了130多公斤化石燃料（煤），但同时回收了100多公斤生物碳，实现了大部分碳的置换。11.4干馏法处理污泥是在污水处理厂内进行，大大减少了污泥运输环节所消耗的能源，从而减少二氧化碳的排放。11.5干馏处理污泥的过程是炭的还原过程，将有机碳元素转变为无机碳元素，不会像焚烧法一样产生氮氧化物（NxOy）和硫氧化物（SxOy）等（酸雨的组成成分），可以大幅削减温室气体二氧化碳的排放。11.6干馏处理污泥技术最大限度地实现了减量化和资源化的基础上，促进低碳社会的建设，将“土壤碳库”的作用发挥到极致。十二、干馏法处理污泥的环境保护措施12.1干馏处理污泥全过程是在密封、无氧、非燃烧、高温状态下进行，避免了产生的二恶英、氮氧化物等有害物质。12.2干馏处理污泥过程中产生的混合气（水蒸汽、不凝可燃气）经过净化、分离处理后，将其中的甲烷、乙烷等可燃成分作为干馏污泥机组的燃料。12.3干馏法处理污泥采用煤气等清洁气体燃料，上述气体燃料在燃烧室内燃烧后产生的尾气达到国家标准后排放。12.4干馏法将污水处理厂运行过程中产生的污泥直接输送到干馏机组内处理，避免了污泥在存放过程中细菌发酵、发臭，造成的大气环境污染。12.5干馏法处理污泥过程中所产生的水蒸汽经过冷凝回收、净化处理后成为冷凝水，冷凝水作为煤气发生炉补水回收利用。12.6干馏法处理车间的冷却水、冲洗水等，均在车间内收集，经过处理后循环使用。12.7干馏处理污泥机组安装有除尘设备，在干馏过程中，防止生物炭粉尘可能对车间环境造成污染，保护操作人员的工作环境和健康。十三、干馏法处理污泥技术知识产权密西西比国际水务公司长期以来致力于污水净化处理和污泥资源化处理技术和装备的研究。经过多个国家的研究机构和专家，在环境保护、煤化工、水化学、生物质能源、热工、土壤与肥料、生物有机炭、机械制造等领域，进行多学科、跨行业的交叉研究，开发出独特的活性焦过滤吸附法污水深处理系列技术及成套装备和干馏处理污泥系列技术及成套装备。上述系列技术及成套装备已经向中华人民共和国国家知识产权局申报了60多项专利，其中40多项为发明专利。并且已经向美国、欧盟、日本、印度、巴西等十几个国家申报发明专利。十四、干馏法处理污泥示范项目密西西比公司在广东省的代理公司-广州茵绿环境科技发展公司，与广东省环境保护科学研究院合作，在政府的支持下，建设了日处理5吨的干馏处理污泥（含水率85%）示范基地。通过示范基地将干馏处理污泥技术进行推广应用。干馏法处理污泥示范项目将在2010年5月完成设备安装，投入运行。密西西比公司在山东的合作伙伴建设每天干馏处理50吨污泥（含水率85%）项目，计划在2010年底前投入运行。密西西比公司在福建、河南、陕西等地的合作伙伴也在筹建当地的示范工程项目。以下为广州干馏处理污泥项目调试人员在查看干馏污泥机组运行情况十五、干馏处理污泥费用分析费用类别费用名称单位数量单价污泥处理费用年元万元/年元/吨支出电费万kWh39.070.623.46.42工资福利费月/人152,000369.86维修费项6.371.74制煤气耗煤费用吨4,984 900448.59122.90费用合计项1514.36140.92收入生物炭销售（亚马逊回收）吨3,40060020455.89实际发生干馏处理污泥实际发生的运营费用310.3685.03备注：（1）上述费用是以日处理100吨、含水率85%污泥，以煤气为燃料的项目为例。（2）上述费用中的可变成本如煤、人工等在不同地区、不同时间会有差别，需要根据当时、当地的情况作相应的调整。（3）上述费用中未含折旧费、财务费用等。（4）生物炭价格（600元/吨）为密西西比公司的收购价，不是生物炭的市场销售价。十六、（干馏污泥所制造的）生物炭是什么？（1）生物炭是炭的一种形式，可以长期完整的保存在土地中而不被分解成二氧化炭。埋到地下后可以有几百至上千年不会消失。（2）科学家们将以生物质为原料，在无氧状态下干馏、热解所形成的一种炭质材料称为“生物炭”。理论上，任何植物或动物都可以在无氧环境下热解后形成生物炭。（3）制造生物炭的生物质来源广泛，如动物粪肥、稻米谷壳、花生壳、玉米秆、树木废料等农业原料，以及污水处理厂污泥、生活垃圾等。（4）生物炭富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以改善土壤的透气性和排水性，蓄留植物根部所需水分，有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。事实上，之所以肥沃的土壤大都呈现黑色，就是因为含炭量高的缘故。（5）生物炭可以长期稳定地存在于自然界中，具有持久性的肥田沃土，促进土壤中微生物繁殖，促进植物生长，对二氧化炭吸收，使空气中二氧化炭减少的功能。 (6)污泥干馏制造的生物炭实景图（图1）十七、生物炭起源亚马逊河流域失传已久的农耕秘密重新回到科学家的视野。生活在巴西亚马逊流域的人们长期使用一种特殊的肥料。这种肥料来源于当地，具有极强的恢复贫瘠土壤肥力的能力。当地人们把它称为“印第安人的黑土壤”。有人猜测它是火山岩，或者是古代湖泊的沉积物，又或者是很久以前植被腐烂后的残留物。现代研究证明，黑土壤是2500年，甚至6000年以前由生活在亚马逊流域的人们制造的。一般认为，他们使用的材料包括动物粪便，鱼，动物骨头和植物废物。但是生产黑土壤最关键的原料，也是黑土壤之所以呈现黑色的原因，是生物炭的使用。现在，黑土壤已经成为气候变化学家集中研究的对象。黑土壤中的生物炭可以使其肥力维持一个世纪之久。澳大利亚著名的自然学家提姆富兰纳瑞认为生物炭的这些特性“使我们能够同时解决三、四个重大危机：气候变化危机，能源危机，以及食品和水资源危机。”（引自：环保在行动：黑色的希望生物炭，人民网-环保频道）十八、生物炭与中国“沃土工程”中国长期以来化肥产、供、施畸形发展，施肥技术落后，施肥比例严重失调，重化肥，轻有机肥；重氮肥，轻磷、钾肥；重大量元素，轻微量元素。据农业部统计，1998年全国化肥施用总量达到4085万吨，与发达国家比较相当于损失20%的养分。投肥效益下降，增肥不增产，增产不增收，在高氮肥区出现施氮过量而造成减产的现象。据调查，20世纪50年代我国每公斤化肥可生产粮食15公斤，70年代为9公斤，90年代为7公斤左右。肥料投资占农业生产直接投资的50%左右，肥料投入效益的下降直接影响到农业生产效益和农民收入。施肥不合理还造成农产品品质下降，危害人类健康。表现为瓜果不甜、饭菜不香、棉麻纤维变短，食品中有害的硝酸盐含量上升。据对北京、上海、天津等7个城市的调查，123种主要蔬菜品种中，硝酸盐轻度污染以下的仅34种，占27.6%；中、高污染和严重污染的占72.4%，其中达严重污染程度，按世界卫生组织（WHO）和联合国粮农组织（FAO）规定推算已不允许食用的蔬菜品种有33个，占26.8%。我国居民消费量较大的几种主要蔬菜（尤其是叶菜、根菜）的硝酸盐含量已严重超标，对人类健康构成潜在威胁。由于施肥不合理，造成农作物生理病害加剧，水果外形、口感不佳，耐储性下降等，不仅影响我国人民的生活质量和食品安全，更严重削弱了我国农产品在国际市场上的竞争力，直接影响出口创汇。我国五大湖泊的水体已不同程度受到了污染。就太湖水体富营养化而言,来自农田流失的氮素占了氮素入湖总量的23%。为了解决上述问题，中国政府开始实施“沃土工程”。该工程的目标是：（1）改善土壤理、化性状；有效提高土壤有机质，增加化肥利用率，增强植物抗逆能力；（2）提供植物生长所需的均衡养分；（3）激活土壤微生物，长久保持土壤活力；提高耕地质量，是发展粮食生产、巩固和提高农业综合生产能力的根本性措施。（4）使土壤肥力提高1个等级，肥料利用率提高10；粮食生产能力提高10左右，农民增收80100元/亩。生物炭可以长期稳定地存在于自然界中，具有持久性的肥田沃土，促进土壤中微生物繁殖，促进植物生长，对二氧化炭吸收，使空气中二氧化炭减少的功能。生物炭富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以改善土壤的透气性和排水性，蓄留植物根部所需水分，有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。生物炭在土壤改良领域所具有的独特性能，使其在“沃土工程”的实施过程中，必将起到重要的、不可替代的作用。十九、世界各国生物炭研究成果目前，全世界范围内引发了对生物炭的广泛兴趣。拜罗伊特大学研究人员布鲁诺格拉泽（Bruno Glaser）博士表示：“生物炭研究始于1947年。但是直到上个世纪80年代，生物炭一直才被人们想起。现在，关于生物炭应用的效果有很多令人兴奋的发现。”（1）英国英国环保大师詹姆斯拉夫洛克称，生物炭是减轻灾难性气候变化的唯一希望。研究人员也表示，生物炭也能提高农业生产率，减少对炭密集肥料的需求。生物炭的孔洞结构容易聚集营养物质和有益微生物，从而使土壤变得肥沃，利于植物生长，实现增产的同时让农业更具持续性。（2）德国德国宾根（Bingen）的污水处理厂中，传送带将半干的污泥送入钢容器中，空气中散布着污泥成熟的气味。经过这种短暂的生态“炼金术”处理之后，污泥在容器中变成闪亮的黑色颗粒，污物最终变成了生物炭。德国拜罗伊特大学（University of Bayreuth）的新研究显示，生物炭可以使贫瘠土壤中的植物生长加倍。（3）美国美国纽约康奈尔大学（Cornell University）研究认为，掩埋生物炭可能让土壤储存有机碳的能力增加一倍。（4）澳大利亚澳大利亚伍伦巴农业研究所资深科学家范兹威屯说，生物炭可以减少土壤排放温室气体一氧化二氮。生物炭提高土壤pH值的速度仅为石灰的1/3，它还可以提高红铁土壤的钙质，减少红铁土壤中铝的毒性。因此，生物炭运用可使土壤的生物学性能得到改善，减少对化学肥料的需求，提高保持水分的能力。澳大利亚著名科学家提姆富兰纳瑞指出，生物炭还可以大大减少温室气体的排放。在全球范围内，土壤释放的温室气体量是化石燃烧产生的温室气体的10倍多。通过对土壤中释放出的气体进行测量和对比，发现生物炭可以显著减少二氧化炭和一氧化二氮的释放。而一氧化二氮是另一种更严重的温室气体，其制造温室效应的效力是二氧化炭的300倍，在空气中可持续150年之久。澳大利亚伍伦巴农业研究所环境科学家史蒂夫肯姆伯指出，生物炭还为农民和环境带来另一个好处，像农作物残余、地面覆盖物以及混合肥料等形式中的炭在土壤中是不稳定的，在2至3年内就会彻底分解，转化成二氧化炭。而生物炭在土壤中很稳定，其中的炭可以保持几百年的时间。这意味着，使用等量的生物炭和混合肥料，生物炭一次就可以顶上几十年，而混合肥料却要年年使用，这无疑会减少农民的支出。对于环境而言，由于不稳定的、易分解的炭被稳定的生物炭代替，土壤释放的二氧化炭量将大大减少。（引自：环保在行动：黑色的希望生物炭，人民网-环保频道）下图为加拿大农场施用生物炭的情景Blueleaf Biochar - Biochar Field Application Trials. Quebec, Canada二十、生物碳作为土壤改良剂的作用（1）增加产量研究表明，每公斤土壤中有机碳含量增加1克，東北地区玉米产量每亩可增加11.7公斤；华北地区夏玉米与冬小麦轮作，每亩可增产約30.3公斤；西北地区春玉米产量每亩约增加21.9公斤；中南地区单季水稻产量每亩可增加约12.3公斤；华东地区双季稻产量