随着经济发展、城市规模的日益扩大、城市污水处理效率逐年提高,城市生活污水处理厂产生了大量副产物—市政污泥。在现有处理处置方式与城市发展不匹配的严峻形势下,如何妥善处理处置污泥已成为当前城市环境污染治理领域的核心议题。与此同时,由于全球磷储备的迅速枯竭,采取热解手段回收污泥中丰富的磷资源并作为一种新型肥料越来越受到业界关注。本研究以城市污泥生物炭中磷的高效应用为目标,以热解改性为主要手段,全面揭示污泥热解特性以及挥发性产物释放规律;系统研究了不同钙基添加剂对污泥热解过程中磷的迁移转化机制的影响,揭示了污泥生物炭土地利用时对土壤理化性质以及土壤微生物群落的影响,提出了新的污泥生物炭改性策略。本文的研究成果,为实现市政污泥的减量化、稳定化以及清洁、高效利用提供了理论与技术基础。本文首先利用热重-红外-质谱联用实时监测系统作为主要手段,研究了污泥与咖啡渣共热解的反应规律及污泥热解特性。研究发现,污泥热解挥发性产物释放集中在330~500°C,随着热解温度的升高整体上呈现出先增强后减弱的趋势。当掺混比（咖啡渣:污泥）为3:7时,此时共热解生成挥发性产物的释放会被抑制。咖啡渣的添加并未改变污泥热解产物的组成,但是会提升污泥最大失重效率;有利于污泥热解反应的热启动过程以及提高了污泥热解反应所需要的有效碰撞频率。另外,通过对生物炭总磷测定以及磷形态的分析,发现低温热解污泥生物炭中磷主要以有机磷形态存在,高温热解生物炭中磷主要以铝磷、焦磷酸盐等无机磷形态存在。研究表明,咖啡渣的掺混能增加总磷含量,且当掺混比为3:7,500°C热解时,生成生物炭中水溶性磷占比最高达到44%。因此,污泥与咖啡渣共热解生成的生物炭有作速效肥使用的潜力。污泥热解过程中,三种常见钙基添加剂-氧化钙、氢氧化钙、磷酸钙-均能促进污泥中磷转化为植物可利用的钙磷形态（羟基磷酸钙）,提出了一种从污泥中回收磷的有效策略。固态核磁结果显示,原始污泥中76.8%为Al2（OH）3PO4,该形态磷不能被植物体利用;而在改性污泥生物炭中磷形态表征结果显示,添加10%氧化钙、5%氢氧化钙或者10%磷酸钙时生成的羟基磷酸钙的含量达到峰值。热力学模拟结果证明了添加剂的引入能增加该热解体系的焓值,且当添加剂为氧化钙时体系焓值最低,这也就表明了污泥热解过程中氧化钙的添加更有利于污泥中磷以羟基磷酸钙形式被回收利用。此外,当热解温度超过900°C时,生成的羟基磷酸钙不稳定,会急剧减少。因此,本研究证明了调控添加钙基添加剂（钙磷比）作为从市政污泥中以羟基磷酸钙形式回收磷的有效策略,这也就验证了城市污泥中回收磷从而实现全球磷资源可持续性途径的可行性。通过系统的生物炭土地利用时对土壤理化性质和土壤微生物学的影响分析,提出了钙基改性污泥生物炭的有效改良技术及其清洁应用。研究发现,调节钙基添加剂促进污泥磷热解转化对黑麦草生长和土壤微生物多样性有促进作用。盆栽实验中,改性污泥生物炭主要是通过改变土壤有效磷和有机质含量,进而影响黑麦草的生长。添加氧化钙和氢氧化钙制备的污泥生物炭组土壤中,促进磷向羟基磷酸钙转化的Ramlibacter微生物占主导地位,而原始污泥生物炭处理组土壤中,能加速重金属吸收的Massilia微生物占主导地位。此外,钙基添加剂处理组黑麦草植株地上部分茎中Pb累积量小于3%,而在原始污泥生物炭处理组中黑麦草地上部分Pb累计量超过35%。基于宏观和微观信息分析,总结出磷增益污泥生物炭对黑麦草的生长有促进作用,对土壤理化性质特别是有效磷和有机质有改良效益,并阻碍了土壤中重金属向黑麦草植株的迁移。因此,本研究通过对污泥热解特性、污泥中磷迁移转化机制以及污泥生物炭应用时对土壤理化性质和微生物影响等方面的深入研究,设计了一种智能、简便以及绿色的污泥生物炭资源化应用手段。