近年来随着污水处理事业的蓬勃发展，市政污泥产生量迅速增加，据环保部统计，2013年我国市政污泥产生量超过了2600万吨。如何在当前经济、技术条件下无害化处理处置市政污泥是我国各级政府和企事业单位共同面对的社会问题。在自然资源逐渐匮乏的时代背景下，进一步实现市政污泥的资源化、能源化利用是对市政污泥处理处置事业新的要求。热解处理是一种具有良好发展前景的污泥处理技术。热解处理将市政污泥中的热量转移至热解气和热解油，再通过二次燃烧实现了市政污泥的清洁化能源利用。污泥热解残渣（生物炭）的一种新用途是作为土壤改良剂，同时实现了碳封存功能。本文先后考察了污泥生物炭元素组分、酸碱性、孔隙结构、表面官能团种类及含量、可溶性盐含量、重金属含量及特性等相关理化性质;并阐述了热解终温和生物炭性质之间的关联机理;探究污泥生物炭自身的养分特性以及对土壤养分淋溶特性的影响;生物炭的稳定性以及生物炭对土壤碳排放的影响;最后分析了污泥生物炭制备过程中的能耗问题，设计了关键设备。本研究对于提高市政污泥的资源化、能源化清洁利用水平，以及改良土壤、促进现代农业可持续发展，减少碳排放，建设低碳社会具有重要意义。　　研究发现污泥生物炭产率由其原料性质和制备温度决定，市政污泥中矿物质在300-700℃制备温度范围内难以分解，因此，污泥生物炭的产率较高，并随着制备温度的升高而逐渐降低。制备温度对污泥生物炭性质有重要影响。随着制备温度的升高，生物炭中挥发分含量急剧降低，固定碳含量先增加后降低，而灰分含量逐渐增加。生物炭制备过程中，随着有机质的逐渐分解挥发，碳、氧、氢等元素绝对含量逐渐降低，然而由于更多的氧元素损失，实现了碳在生物炭中的相对富集。污泥生物炭比表面积和孔容均随着热解温度的升高而增加，然而由于过高的灰分含量，导致污泥生物炭的孔隙结构并不发达。生物炭的孔隙主要为介孔，随着生物炭制备温度的提高，灰分熔融和烧结堵塞部分孔隙，以及新的孔隙形成，导致生物炭平均孔径有所减小。300℃制备的生物炭呈酸性，随着更多的有机酸和碳酸盐分解，较高温度制备的生物炭呈碱性。污泥生物炭红外光谱图上吸收峰强度的变化表明高温下制备的生物炭有更多的氧、氢元素损失，极性减弱，脂肪碳含量减少，芳香碳含量增加。污泥中的大部分可溶性盐热稳定性较差，高温下易分解，导致污泥生物炭的可溶性盐含量低于污泥原料本身，且高温制备的生物炭其水溶性盐含量更少。　　在300-700℃的制备温度范围内，污泥中较少部分重金属迁移至热解油中，剩余的极少量附着在石英管的冷壁面和第一个长颈瓶中，因此，热解气中不含有重金属。大部分的重金属（Cr除外）仍然保留并富集在生物炭中，浓度要高于污泥原料本身，重金属富集程度随着热解温度的升高而增加。生物炭中重金属的浸出毒性、生态毒性和生物可到性要低于污泥原料本身，因此，生物炭对土壤和地下水的潜在环境风险小于市政污泥直接土地利用。　　在300-700℃的制备温度范围内，均有养分元素损失，然而仍有11.25-96.92％的氮，92.26-98.54％的磷，82.5-95.0％的钾保留在生物炭中，其含量分别在9.1-61.2 g kg-1，38.8-49.2 g kg-1，8.52-9.48 g kg-1之间。水溶性养分含量更低，分别为1540-2544mg kg-1，280-676mg kg-1，316-1236mg kg-1。生物炭抑制了土壤中NH4+和K+的释放，高温生物炭的抑制作用更强，这种抑制作用并不随着淋溶液体积的增加而变化，静电吸引和离子交换是生物炭抑制土壤NH4+和K+释放的主要原因。静电排斥导致生物炭B300对土壤中NO3-的释放并无影响，生物炭微环境的酸碱变化导致静电排斥减弱，吸附作用促使生物炭B500和B700对土壤NO3-释放产生抑制作用，同样生物炭的吸附作用导致土壤PO43-淋溶量的下降。　　研究发现污泥生物炭均可以通过非生物过程和微生物过程降解，非生物降解路径为:氧原子在碳碳键点位的化学吸附、羧基的形成以及随后的脱羧反应，而氧原子在碳碳键点位的化学吸附或者羧基的形成是生物炭非生物降解的关键步骤。非生物降解是污泥生物炭降解的主要形式，对于B300，B500以及B700，源于非生物降解过程释放的CO2占CO2总释放量的78.1％，81.9％和76.5％。高温下制备的生物炭生物及化学稳定性更佳，污泥生物炭B300，B500以及B700的半衰期分别为12，2521和8798年。土壤微环境酸碱性以及阳离子交换量的变化和生物炭中极微量的有毒物对微生物活性的抑制作用是减少土壤碳排放的主要原因。通过抑制土壤有机碳降解，特别是微生物降解过程，生物炭降低了土壤碳排放，对于B300，B500以及B700，其减少量分别为17.3％21.8％和31.6％。另外，由于生物炭具有较强的生物和化学抗性，土壤中加入生物炭会减少源于生物炭降解而释放的CO2，因此，土壤中添加生物炭通过减少源于生物炭以及土壤有机碳降解两种方式实现碳减排。　　根据热力学原理，分析计算污泥干燥、生物炭转化过程中的能耗，并设计污泥干化、生物炭转化主体设备。在300-700℃温度范围内污泥生物炭生产过程中均需要外部输入热量，然而由于高温下污泥原料中更多的能量转移至热解油和热解气中，而这部分能量可以用于污泥生物炭生产过程，因此，需要输入的热量随着制备温度的升高而减小。制备温度为700℃时，实验所用污泥转化为生物炭时仅需外部输入热量37.9kJ kg-1。在此基础上，分别设计了污泥生物炭生产的关键设备，水蒸气热管式污泥干化装置和立式热解沉降炉。