污泥作为一种具有可资源化和环境危险性双重特征的固体废弃物,如何妥善处理使其环境风险降低的同时充分利用其中的有益组分是未来亟待解决的问题。污泥热解技术是目前最具潜力的污泥处理方式,该工艺一方面可减容、灭活病菌、固化稳定化重金属,降低其毒性;另一方面热解获得的污泥生物炭比表面积大、孔隙结构发达且富含植物营养元素,可作为土壤结构和肥力的改良剂。本实验以市政污泥为原料制备生物炭,通过元素分析、SEM、FTIR、XRD、热重分析、DRS等手段对生物炭结构、性质进行表征;通过BCR连续提取法、TCLP法、生态危害指数法对生物炭中重金属特征及环境风险的分析,以确定其作为土壤改良剂的安全性和可行性;通过生物炭对土壤结构、水分及热性质影响的分析,探究了生物炭对土壤热性质的影响机理,为从热量角度分析生物炭提高土壤肥力的机制提供了理论基础。主要结论如下:(1)随着热解温度的升高,污泥生物炭产率下降,灰分增加,生物炭pH值由酸性过渡到碱性;C、H、N和O元素含量均随热解温度的升高而降低,生物炭芳香化程度和稳定性增加,亲水性和极性不断降低,无机氮的浸出能力降低。生物炭比表面积和孔体积随着热解温度升高先增大后减小,平均孔径降低,高温有利于纵深方向孔隙结构的形成。污泥生物炭表面具有-COOH、-OH、C-O-C、C=N等有机官能团和硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐、碳酸盐等无机组分。热解过程中全氮、速效氮、速效钾、有机质含量随热解温度升高而降低,全磷、全钾发生浓缩。高温热解加剧污泥炭化程度,使生物炭颜色加深,生物炭对各波段光的吸收增强;生物炭热容量、热扩散率、导热率均随热解温度升高而减小。(2)污泥及其生物炭中重金属总浓度大小依次为Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd;生物炭中重金属在热解过程中发生浓缩,但总浓度最大值低于国家控制阈值。BCR连续提取结果显示,高温热解可促进重金属从生物可利用组分向稳定组分的转化,重金属的生物有效性显著降低。TCLP毒性浸出结果表明,生物炭中重金属浸出率随热解温度升高而降低,热解可显著抑制污泥中重金属的浸出能力。环境风险评价结果显示,高温热解可大大降低污泥的环境风险水平,这说明热解法是一种有效地固定重金属的污泥处理方法,可通过控制热解温度来制备高品质和低环境风险的污泥生物炭。(3)污泥及生物炭施入可改变土壤结构组成,增加土壤中砂粒比例,降低粉粒比例,对粘粒含量影响不大。当添加比例为10%和15%时,土壤容重降低幅度相对较大,土壤毛管孔隙度和总孔隙度增加,土壤非毛管孔隙降低,土壤孔隙结构得到改善。随着热解温度升高,污泥炭化程度加剧,生物炭颜色加深,500℃下制备得生物炭(记为BC500,下同)和700℃下制备得生物炭(记为BC700,下同)施入可显著降低土壤对辐射光的反射,且添加比例越大降低越明显;300℃下制备得生物炭(记为BC300,下同)对土壤反射率的影响不大;而原污泥(记为SS,下同)会增加土壤对辐射光的反射。(4)BC500和BC700在较大添加量下可显著增加土壤饱和含水量,SS和BC300不显著。SS、BC300、BC500、BC700以不同比例施入土壤,土壤田间持水性的增加幅度分别为2.51%～7.78%、0.80%～2.93%、0.43%～6.76%、0.09%～13.00%,其中SS和BC700对土壤田间持水量的影响更为显著。同时,生物炭的施入不同程度的增强了土壤保水性能,有效减缓了水分的蒸发速率,延长土壤保持水分稳定的时间。(5)生物炭添加可降低土壤热容量、热扩散率和导热率,这与生物炭自身低热容量、低热扩散率和低导热率、土壤容重的减小和孔隙度的增加有关。当容重由1.00 g/cm~3增至1.30 g/cm~3时,土壤热容量、热扩散率、导热率增加幅度平均值最大可达10.39%、13.60%、25.35%,容重降低孔隙度引起的正效应抵消了生物炭自身及添加比例引起的负效应。不同生物炭处理下的土壤热容重、热扩散率和导热率在一定范围内与土壤含水量之间呈正相关关系(R~2>0.95)。土壤热性质与热解温度、添加比例、土壤有机质含量、土壤含水量均有关系,生物炭添加比例和土壤含水量是影响土壤热性质的主要因素。