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中國科學院生態環境研究中心劉振剛研究組利用同步輻射中能X射線近邊吸收結構（XANES）等原位表征技術，探究了汙泥生物炭中P、S在熱解及土壤老化過程中形態演化的分子機制，並首次通過生命周期評價方法量化了汙泥熱解-汙泥生物炭土壤應用系統中碳足迹。相關研究成果發表于Environmental Science & Technology（IF=9.028）與Journal of Cleaner Production（IF=9.297）。研究工作得到國家自然科學基金和山東省重大科技創新工程等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.est.2c00632
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132057
熱解是廢棄生物質重要的熱化學轉化技術。市政汙泥是典型的廢棄生物質，汙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組分，具有廣闊的土壤應用前景。汙泥中P、S元素在土壤重金屬鈍化過程中起著關鍵作用，但目前汙泥生物炭中P、S進入土壤後其形態分布、轉化特征和歸趨尚不明確；關于汙泥熱解-土壤應用過程中碳封存及溫室氣體排放缺乏系統研究。近日，中國科學院生態環境研究中心劉振剛研究組利用同步輻射中能X射線近邊吸收結構（XANES）等原位表征技術，探究了汙泥生物炭中P、S在熱解及土壤老化過程中形態演化的分子機制，並首次通過生命周期評價方法量化了汙泥熱解-汙泥生物炭土壤應用系統中碳足迹。
結果表明，汙泥中磷酸鐵（Fe-P）、有機磷在熱解處理過程中轉化爲更穩定的類羟基磷灰石結構化合物，而熱解過程中超過58%的硫被還原爲S2-並與汙泥中重金屬等陽離子形成穩定的硫化物；在土壤老化過程中，汙泥生物炭中穩定態磷又逐漸轉化爲有效性相對較高的形態（鈣弱結合態磷），而硫化物逐漸被氧化、轉化成活性高的無機硫酸鹽形態。此外，由于對氧化還原環境響應機制差異，汙泥生物炭中磷、硫在盆栽和大田土壤中呈現明顯不同的形態變化特征。熱解過程中磷、硫通過吸附、沈澱及硫化等反應影響並顯著降低了汙泥-土壤系統中重金屬的有效態含量和環境風險。研究通過生命周期評價體系對汙泥熱解及其土地利用過程中碳足迹和關鍵影響因素進行量化和敏感性分析顯示，相對于傳統汙泥厭氧消化-土地利用、填埋、焚燒等處理方式，汙泥熱解-土地利用碳排放消減率可達53%以上，碳減排優勢顯著。該研究闡明了生物炭-土壤系統中典型有益元素形態演化規律、碳足迹及其關鍵影響因素，並爲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。
責任編輯：宋潇
校对和审核：张阳 王农
