随着我国经济的快速发展和城镇化进程的加快,全国范围内建成了许多城镇污水处理厂,每年产生数量巨大的污泥但没有得到合理处置。污泥的安全处置与资源化利用已成为我国环境保护面临的一个重大挑战。常用的污泥处置办法如污泥还田、土地填埋、焚烧等存在占用土地资源、引起环境二次污染及生态风险高的弊端。因此,亟需开发一种绿色、可持续的污泥资源化利用途径。另一方面,我国面临着极为严重的土壤重金属污染问题。针对我国重金属土壤污染分布广、浓度低、以多种重金属复合污染为主的特点,在众多重金属污染土壤修复方法中,原位钝化修复是最经济的方法。原位钝化修复的核心在于钝化修复剂的选择与制备。生物炭材料因为制备成本低、重金属钝化效果好,且能同时提高土壤质量、恢复土壤功能,而具有独特的优势。故可以尝试利用污泥热解制备污泥基生物炭修复重金属污染土壤来实现污泥安全处置、资源化利用和土壤重金属污染修复的双重目的。但是,污泥含C量较低,有机物成份主要为蛋白质、淀粉等在热解过程中极易分解,污泥单独热解制备的生物炭孔隙结构不发达,比表面积比较小。同时污泥中Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Cd等有毒有害重金属会富集到污泥生物炭中具有高生态风险。这些缺陷制约了污泥生物炭作为钝化修复剂的推广使用。热解原料、热解温度、热解停留时间是影响生物质热解过程中元素迁移转化的三个主要因素,并决定了生物炭的性能和成本。因此,可以通过优化热解工艺来改善污泥生物炭的性能、降低重金属潜在生态风险。污泥与含C量高、重金属本底值低的农业废弃物秸秆共热解有可能成为实现这一目标的关键。本研究利用污泥与棉秆共热解制备污泥-棉杆混合基生物炭,研究了热解温度、棉杆添加比、热解停留时间对共热解过程中元素(C、H、N、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Cd等)迁移转化、混合基生物炭理化性质、孔结构、表面化学特征的影响,定量评价了混合基生物炭中重金属的潜在生态风险,运用响应面法(Response Surface Methodology)优化了混合基生物炭共热解制备工艺,通过Pb2+、Cd2+的吸附实验和Pb、Cd复合污染土壤的钝化实验研究了混合基生物炭在济液和土壤中吸附固定Pb2+、Cd2+的效果和机制,通过黑麦草盆栽实验研究了混合基生物炭修复Pb、Cd复合污染土壤的植物有效性。主要结果如下:热解温度、热解停留时间、棉杆添加比对共热解过程中重金属的迁移转化有显著影响。提高热解温度、延长热解停留时间都提高了混合基生物炭中重金属的富集程度,促进重金属由弱酸提取态、可还原态向可氧化态、残渣态转化:提高棉杆添加比降低了混合基生物炭中重金属的浓度,增强了热解装置中的还原气氛,重金属的有机结合态显著增加,促进重金属由弱酸提取态、可还原态向可氧化态转化,但提高棉杆添加比会减少热解原料中Si的含量,导致混合基生物炭中重金属残渣态占比有所下降。潜在生态风险指数(RI)评价结果表明,提高热解温度、延长热解停留时间、提高棉杆添加比例均能降低混合基生物炭中重金属的潜在生态风险。共热解降低了污泥中重金属的迁移性和可生物利用性,降低了污泥基生物炭使用的潜在生态风险。热解温度、热解停留时间、棉杆添加比均对混合基生物炭的性能有显著影响。提高热解温度、延长热解停留时间降低了混合基生物炭产率及C、H、N含量,但提高了混合基生物炭的芳香化程度、pH值和灰分含量,比表面积随热解温度的增加、热解停留时间的延长先增加后减小,在热解温度650℃C,热解停留时间90min时达到最大。提高棉杆添加比降低了混合基生物炭产率、H、N含量、灰分含量,但提高了C含量和芳香化程度,比表面积随着棉杆添加比的提高而增加。污泥为大孔材料,共热解制备的混合基生物炭均为介孔材料,棉杆加入共热解促进了混合基生物炭孔隙结构的发展,提高了混合基生物炭的比表面积。响应面实验结果表明,热解停留时间和棉杆添加比例之间存在重要的交互作用,而热解温度和热解停留时间、热解温度与棉秆添加比例之间基本没有交互作用。混合基生物炭制备的最佳工艺条件为:热解温度638℃,热解停留时间86min,棉杆添加比50%,在此条件下制备的混合基生物炭具有最大的吸附能力。溶液中Pb2+、Cd2+吸附实验结果表明,溶液初始pH对混合基生物炭吸附Pb2+、Cd2+有重要影响,吸附Pb2+的最佳溶液初始pH值为5.0,Cd2+为6.0;混合基生物炭对Pb2+、Cd2+吸附的动力学过程更加符合拟二级动力学方程(R2>0.99);与Langmuir模型相比,Freundlich模型能更好的表征生混合基物炭对Pb2+、Cd2+的吸附特征,混合基生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附过程是一个物理吸附与化学吸附并存过程,主要机制包括离子交换、沉淀共沉淀、络合作用及物理吸附。施加混合基能提高土壤田间持水量、CEC和pH值,增加有机碳、有效N、有效P、有效K等植物养分供给,增强土壤微生物活性,提高土壤质量;施加混合基生物炭能有效钝化钝化土壤中重金属Pb、Cd,施加混合基生物炭培养90d后,土壤中Pb、Cd的残渣态、可氧化态占比显著增加,弱酸提取态、可还原态占比下降;虽然施加混合基生物炭增加了土壤中Cu、Ni、Zn、Cr的浓度,但除Zn外,与对照土壤相比,重金属Cu、Ni、Cr的浸出量都下降了,土壤中重金属Zn被活化,残渣态占比下降,弱酸提取态占比上升,TCLP浸出量随混基生物炭施加量的增加而增加,移动性和可生物利用性增强。归因于土壤理化条件的改善、土壤有效养分性增加和土壤中重金属Pb、Cd的钝化,污泥生物炭、混合基污泥生物炭均提高了黑麦草的发芽率、增加了黑麦草的生物量,并降低了黑麦草植株内重金属Pb、Cd的积累;与污泥单独热解制备的纯污泥生物炭相比,混合基生物炭在提高土壤的持水能力、降低Pb、Cd移动性和可生物利用性、减少重金属Pb、Cd在黑麦草植株内累积方面具有优势,但在增加土壤有效养分供给方面要弱于纯污泥生物炭。黑麦草生长情况的改善应该是多种因素综合作用的结果。总的来说,棉杆与污泥共热解制备混合基生物炭可以提高生物炭的性能,降低混合基生物炭中重金属的潜在生态风险,与纯污泥热解制备的生物炭相比,共热解制备的生物炭对于Pb、Cd复合污染土壤具有更好的钝化修复效果。因此,污泥与棉杆共热解为污泥安全处置和资源化利用提供了一条绿色、可持续的途径。