近年来,随着城镇化水平的快速发展,市政污泥的处理处置问题日益凸显。热解是一种新型的污泥处理处置技术,产生的固态副产物生物炭有望通过土地应用的方式实现污泥资源化要求。但是,污泥基生物炭在土壤应用方面还存在一定的不足,例如,污泥基生物炭的含碳量低,孔隙结构较不发达,富集在污泥基生物炭中的Zn、Cu、As等潜在毒性元素（potentially toxic elements,PTEs）可能引起一定的环境风险,对污泥基生物炭的可溶态组分特征以及其土壤应用过程的生态角色、土壤应用效率和机制尚不明确。因此,针对上述问题,本文以污泥基生物炭为研究对象,围绕制备、优化、土壤应用三个方面展开研究。本文首先以热解温度作为变量因素,考察了污泥基生物炭固态组分以及可溶态组分的特征变化、热解过程中污泥中PTEs的迁移转化、可溶态组分与外源Cu（II）的络合行为,并评估了污泥基生物炭的生物安全性能。随着热解温度上升至700°C,污泥基生物炭的C、H、O、N、S含量逐渐下降,表面官能团吸光强度下降,比表面积、孔隙体积以及孔隙尺寸分别上升至70.79 m2/g、0.128 cm3/g、7.21 nm。污泥基生物炭的可溶性组分中,可溶性有机碳、可溶性有机氮含量随着热解温度的上升而下降,可溶性组分中的羟基、酰胺C=O键、脂肪族C-O-C强度逐渐下降。随着热解温度的上升,可溶性组分的分子量分布越发分散。可溶性组分包含一种蛋白类似物和两种类似于腐殖酸的芳香类物质。随着热解温度的上升,生物炭中的Cu、Zn、As、Pb、Cd以及Cr含量分别上升了81.96%、106.27%、35.98%、84.05%、109.33%以及121.94%,但是可利用态Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr含量分别下降了88.60%、20.78%、18.51%、81.41%、54.3%以及44.28%。较高的热解温度降低了可溶性有机物中的酰胺以及酚基官能团,进而降低了与Cu（II）的络合稳定系数。同时,热解温度提高了生物炭对费氏弧菌、小麦以及土壤微生物的安全性能。此外,本文通过污泥与木屑共热解的方式优化生物炭的理化特征以及降低内源性PTEs的潜在影响,研究了热解温度和掺杂比例对生物炭元素组成、成分、表面形貌和孔隙结构、碳结构、PTEs含量以及形态的影响。研究发现,在同一热解温度下,随着木屑的掺杂比例的上升,共热解生物炭的C含量上升了11.35-71.56%,固定碳含量上升了15.11-151.48%,灰分含量下降了2.12-68.62%,疏水度和芳香度有所提高。木屑的掺杂向生物炭表面引入了脂肪族-CH、C-O-O-、芳香族C=O等官能团。在700°C,当污泥与木屑的掺杂比例为3:1时,生物炭的比表面积达到最大（93.78 m2/g）。共热解生物炭较大的比表面积可能得益于共热解过程中对碳保留率的拮抗作用。一定比例的木屑掺杂量能够有效地降低Cu、Zn、Pb、Cd以及Cr含量,同时明显地提高固定态Zn、As以及Cr含量。关联分析和拉曼光谱证实碳结构变化、固定碳、H/C比、O/C比、p H以及灰分是决定PTEs固定的主要因素。最后,本研究将生物炭应用到重金属污染土壤中,考察不同条件下制备的生物炭对土壤理化特征、重金属钝化效率、土壤微生物活性和群落结构的影响,以期筛选出高效并且环境友好的的生物炭。在土壤孵育过程中,700°C制备的生物炭对土壤p H的促进作用最为明显,低温生物炭能够有效地提高土壤盐度和土壤可溶性有机碳含量。生物炭施用到土壤以后,土壤有效态Pb和有效态Cd含量分别降低了4.76-55.30%及4.81-64.54%,可交换Pb百分含量和可交换Cd百分含量分别降低了6.65-13.41%及6.37-15.27%,但是将固定态Pb百分含量和固定态Cd百分含量提高了3.59-9.97%及3.32-20.24%。生物炭将土壤脱氢酶活性提高了6.29-150.40%,并且提高了土壤微生物的生物量。冗余分析结果表明p H、固定态Pb以及固定态Cd是影响土壤微生物群落结构的主要因素。上述实验结果表明,700°C条件下污泥与木屑1:1的掺杂比例条件下制备的生物炭（S1W1-7）对土壤重金属的固定效率最高,并且能够最大程度上提高土壤微生物活性,改善土壤微生物群落组成。扫描电镜-能谱、X射线衍射以及红外光谱结果表明有机-矿物复合聚集体和表面羧基化可能是引发S1W1-7具有较高的重金属固定效率的原因。