熱解是廢棄生物質重要的熱化學轉化技術。市政污泥是典型的廢棄生物質，污泥熱解衍生生物炭富含碳、磷（P）硫（S）和其他作物所需的營養(yǎng)組分，具有廣闊的土壤應用前景。污泥中P、S元素在土壤重金屬鈍化過程中起著關鍵作用，但是目前污泥生物炭中P、S進入土壤后其形態(tài)分布、轉化特征和歸趨尚不明確；另外，關于污泥熱解-土壤應用過程中碳封存及溫室氣體排放缺乏系統(tǒng)研究。劉振剛研究組近期利用同步輻射中能X射線近邊吸收結構（XANES）等原位表征技術研究了污泥生物炭中P、S在熱解及土壤老化過程中形態(tài)演化的分子機制，并首次通過生命周期評價方法量化了污泥熱解-污泥生物炭土壤應用系統(tǒng)中碳足跡。相關成果發(fā)表在Environmental Science & Technology（doi: 10.1021/acs.est.2c00632）和Journal of Cleaner Production（2022, 358, 132057）期刊。  

結果表明，污泥中磷酸鐵（Fe-P）、有機磷在熱解處理過程中轉化為更穩(wěn)定的類羥基磷灰石結構化合物，而熱解過程中超過58%的硫被還原為S2-并與污泥中重金屬等陽離子形成穩(wěn)定的硫化物；在土壤老化過程中，污泥生物炭中穩(wěn)定態(tài)磷又逐漸轉化為有效性相對較高的形態(tài)（鈣弱結合態(tài)磷），而硫化物逐漸被氧化、轉化成活性高的無機硫酸鹽形態(tài)。此外，由于對氧化還原環(huán)境響應機制差異，污泥生物炭中磷、硫在盆栽和大田土壤中呈現(xiàn)明顯不同的形態(tài)變化特征。熱解過程中磷、硫通過吸附、沉淀及硫化等反應影響并顯著降低了污泥-土壤系統(tǒng)中重金屬的有效態(tài)含量和環(huán)境風險。通過生命周期評價體系對污泥熱解及其土地利用過程中碳足跡和關鍵影響因素進行量化和敏感性分析，結果顯示，相對于傳統(tǒng)污泥厭氧消化-土地利用、填埋、焚燒等處理方式，污泥熱解-土地利用碳排放消減率可達53%以上，碳減排優(yōu)勢顯著。

　　以上研究成果闡明了生物炭-土壤系統(tǒng)中典型有益元素形態(tài)演化規(guī)律、碳足跡及其關鍵影響因素，為廢棄生物質無害化處理、資源化利用和固碳減排提供重要理論支持。 

　　以上研究工作得到了國家自然科學基金和山東省重大科技創(chuàng)新工程等項目資助。  

　　論文鏈接詳見： 

　　https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c00632 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095965262201664X