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中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)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(jié)構(gòu)（XANES）等原位表征技術(shù)，探究了污泥生物炭中P、S在熱解及土壤老化過程中形態(tài)演化的分子機(jī)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(yīng)用系統(tǒng)中碳足跡。相關(guān)研究成果發(fā)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(xué)基金和山東省重大科技創(chuàng)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(zhì)重要的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。市政污泥是典型的廢棄生物質(zhì)，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(yīng)用前景。污泥中P、S元素在土壤重金屬鈍化過程中起著關(guān)鍵作用，但目前污泥生物炭中P、S進(jìn)入土壤后其形態(tài)分布、轉(zhuǎn)化特征和歸趨尚不明確；關(guān)于污泥熱解-土壤應(yīng)用過程中碳封存及溫室氣體排放缺乏系統(tǒng)研究。近日，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)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(jié)構(gòu)（XANES）等原位表征技術(shù)，探究了污泥生物炭中P、S在熱解及土壤老化過程中形態(tài)演化的分子機(jī)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(yīng)用系統(tǒng)中碳足跡。
結(jié)果表明，污泥中磷酸鐵（Fe-P）、有機(jī)磷在熱解處理過程中轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的類羥基磷灰石結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為有效性相對較高的形態(tài)（鈣弱結(jié)合態(tài)磷），而硫化物逐漸被氧化、轉(zhuǎn)化成活性高的無機(jī)硫酸鹽形態(tài)。此外，由于對氧化還原環(huán)境響應(yīng)機(jī)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(yīng)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(fēng)險。研究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(guān)鍵影響因素進(jìn)行量化和敏感性分析顯示，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(dá)53%以上，碳減排優(yōu)勢顯著。該研究闡明了生物炭-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(guān)鍵影響因素，并為廢棄生物質(zhì)無害化處理、資源化利用和固碳減排提供重要理論支持。
責(zé)任編輯：宋瀟
校對和審核：張陽 王農(nóng)
