CN111908875B

CN111908875B - 一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置

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Publication number: CN111908875B
Application number: CN202010558346.9A
Authority: CN
Inventors: 李浩然; 李昊晟; 李新; 刘顺亮
Original assignee: China Ocean Mineral Resources R & D Association (china's Ocean Affairs Administration); Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: China Ocean Mineral Resources R & D Association (china's Ocean Affairs Administration); Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: CN111908875A

Abstract

本发明属于建筑材料及制品与有机废水处理技术领域，具体涉及一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置，所述复合材料按重量份数计，包括：氧化镁80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份。本发明所制的纤维‑硫氧镁水泥基复合材料综合了硅酸盐水泥与碳纤维‑硫氧镁水泥的特性，具有高强度、低电阻、耐腐蚀、耐高温、轻质、早强、吸水率低、电热转化效率高的特点；因其稳定的发热性能，不仅可达到对微生物燃料电池外部池体的供热目的，还可利用于给建筑或构筑物供热及融雪化冰等。

Description

一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置

技术领域

本发明属于建筑材料及制品与有机废水处理技术领域，具体涉及一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置。

背景技术

随着社会经济的快速发展，化石燃料的大规模使用加剧了能源危机，因此，迫切需要寻求一种新的可再生能源，若能源再生再利用的同时进行污染治理，则对人类发展意义重大。目前有机物污水处理维护管理复杂，运行成本高，占地面积大，对周边环境影响较大。微生物燃料电池可实现废水处理和能源回收的理想模式，备受人们关注。

在较高纬度的地区，冬季不仅需要取暖，且室外活动场所、人行街道、城市道路、高速公路及立交桥的积雪结冰往往会对出行、交通及运输产生不利的影响，干扰正常生活的同时，也产生了严重的交通安全隐患。在建筑物内通常安装取暖装置来保证达到适宜的温度，但能耗高，施工复杂。室外清理积雪结冰，通常是采用人工或者机械的物理除冰法，耗时费力，不仅效率较低且清除不彻底，此外还有化学除冰法，比如向道路喷洒融雪剂融化积雪，但这些融雪剂对基础设施具有腐蚀性，在雪融化后往往会随着雪水渗入土壤，对环境及植物造成影响。

硫酸镁、氧化镁和水制成的硫氧镁胶凝材料，克服传统镁制胶凝材料吸潮返卤、腐蚀钢筋等缺点。我国菱镁矿资源丰富并且储量相对集中，镁资源充足为镁水泥的生产制备提供了极为有利的条件。镁水泥及其制品煅烧能耗低、粉磨能耗低且不需要其他能耗工艺步骤，具有轻质、环保、节能、易回收等特性。因此，改善镁水泥及其制品的性能，扩大其在建筑工程中的应用既符合节能环保的需要，也是经济可持续发展的重要手段之一。

目前导电混凝土的研究尚未成熟，通过掺加金属纤维、碳纤维及炭黑、石墨等材料提高水泥基材料的导电率。国内学者以石墨替代碳纤维拉高导电性，较小掺量下电导率无法达到期望值，但增大石墨掺量导致材料力学性能下降严重。硫氧镁水泥作导电水泥基材料的研究主要集中在水泥强度性能，而掺加导电介质后的复合材料电热效应在国内外研究都比较少。

专利文献《导电水泥基符合材料及其制备方法和应用》(CN105067164A)公开了一种基于碳纳米管及纳米炭黑制备的导电水泥基材料，该材料静态电阻率小且灵敏度高。但却属于准脆性材料，易开裂且裂缝较宽，在使用过程中所构成的导电网络会因材料开裂而断开，该水泥基材料脆性的特点严重影响了水泥基材料的导电特性。

专利文献《一种高抗折硫氧镁基无机复合胶凝材料》(CN106882933A)公开了一种改性硫氧镁基水泥材料，其中添加了磷酸、磷酸一氢钠、磷酸二氢盐、磷酸三钠、酒石酸盐、乳酸、丁二酸等外加剂。可以有效抑制硫氧镁水泥中生成氢氧化镁，因此制成的硫氧镁水泥具有优秀的力学性能和耐水性能，但所述外加剂成本偏高，不利于控制硫氧镁水泥的生产成本。此外加入的硅灰、矿渣、木屑、白云石粉、页岩粉等填料，虽降低了硫氧镁水泥的生产成本，但阻碍了硫氧镁水泥的胶凝作用，导致制得的材料易开裂。

专利文献《导一种导电超高延性的水泥基复合材料及其制备方法》(CN109626908A)公开了一种导电超高延性的水泥基复合材料及其制备方法，该水泥基复合材料同时具有超高的导电率及裂缝控制能力，主要于路面融雪除冰，该水泥基材料有较高延展性，但其中添加的纳米导电碳粉和碳纤维影响了其普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥的强度，在实际使用与清洁时，易造成损坏。

发明内容

本发明目的在于，提供一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置。同时提供了一种高强度、低电阻、耐腐蚀、耐高温、轻质、早强、吸水率低、电热转化效率高的碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的制备工艺，同时筛选深海产电菌株以燃料电池方式为其提供稳定电压和输出功率。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明提供一种水泥基复合材料，所述复合材料按重量份数计，包括：氧化镁 80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份。

所述氧化镁为轻烧氧化镁，氧化镁含量≧90％，活性在65％以上；

所述硫酸镁为七水硫酸镁；

所述碳纤维为长度3～9mm的的聚丙烯腈(PAN)为原材料的PAN基碳纤维，直径为5～7μm，电阻率为1.5×10^-3Ω/cm，抗拉强度为3.5～3.8GPa；

所述分散剂包括羧甲基纤维素钠，十二烷基苯磺酸钠或甲基纤维素中的一种；

所述石墨纯度≧99.85％；

所述硅粉为冶炼铁合金或金属硅时，烟气中收集的飞灰，SiO₂含量在84％～98，颗粒粒径0.01μm～0.1μm；

所述改性剂包括柠檬酸；

所述消泡剂为磷酸三丁酯或聚二甲基硅氧烷。

本发明所述的一种水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硫酸镁溶解在水中，得到硫酸镁溶液，其中，硫酸镁溶液的波美度为30～35°Bé；

(2)将改性剂溶解在硫酸镁溶液中，然后将一定量的短切碳纤维投入溶解好的硫酸镁溶液，与氧化镁一同加入搅拌机中进行搅拌，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，得到胶凝材料；

(3)将得到胶凝材料放入模具中，在温度为20～35℃，相对湿度50～70％的环境中养护24～48h后，脱模在该环境中继续养护25～35d；最终得到的碳纤维-硫氧镁水泥复合材料。

在实际施工中以串联或并联的方式嵌入或安装于硅酸盐水泥内部，形成需加热的建筑物。在达到导电发热的目的下，同时不影响水泥材料整体强度。

本发明还提供所述水泥基复合材料在微生物燃料电池组外部构筑物、外系统建筑物方面的应用。

作为一种优选的应用，本发明进一步提供了一种深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置，所述装置包括数据传感监测系统1，数据分析控制系统 2，废水、微生物培养与输送系统3，微生物燃料电池组4，外系统建筑物5，蓄电池6，控制开关7，微生物燃料电池组外部构筑物8；其中，所述外系统建筑物5使用所述的复合材料构建，或中间及下层包裹所述的复合材料的硅酸盐水泥；

所述微生物燃料电池组外部构筑物8使用所述的复合材料构建；

所述数据传感监测系统1包括电压监测设备1-1，阳极监测设备1-2和废水COD、BOD监测设备1-3及出水COD、BOD监测设备1-4；

所述数据分析控制系统2包括数据处理器2-1和外部终端2-2；

所述数据处理器2-1分别连接着外部终端2-2和电压监测设备1-1，阳极监测设备1-2、废水COD、BOD监测设备1-3、出水COD、BOD监测设备1-4、阴极菌液流量泵3-4、废水流量泵3-8，对其间的数据、信号进行识别转换。

所述废水、微生物储存与输送系统3包括阳极菌液培养罐3-1，阴极菌液培养罐 3-2，阳极菌液流量泵3-3，阴极菌液流量泵3-4，阳极菌液输送管3-5，阴极菌液输送管3-6，废水储蓄池3-7，废水流量泵3-8和废水输送管3-9；

所述微生物燃料电池组4是由微生物燃料电池经串联和/或并联组成的电池组，所述微生物燃料电池包括废水缓冲稳定区4-4、有机废水主处理区4-5和阴极反应区 4-8三部分；所述废水缓冲稳定区4-4包括废水COD、BOD监测设备1-3和废水入口4-2；所述有机废水主处理区4-5包括阳极菌液入口4-1、阳极电极4-7和密封圈 4-10、4-11；所述阴极反应区4-8包括阴极电极4-9，阴极菌液入口4-3和出水口4-12；

其中，阳极菌液输送管3-5上设置有阳极菌液流量泵3-3；阴极菌液输送管3-6 上设置阴极菌液流量泵3-4；废水储蓄池3-7与废水输送管3-9的入口端连接，废水输送管3-9上设置废水流量泵3-8；

所述废水入口4-2与废水储蓄池3-7通过废水输送管3-9连接；

所述阳极菌液入口4-1与阳极菌液培养罐3-1通过阳极菌液输送管3-5连接，阳极菌液入口4-1通过空心管与阳极电极4-7相通，阳极菌液直接注入至阳极附近；在阳极电极4-7设置有阳极监测设备1-2，在废水缓冲稳定区4-4的废水入口4-2设置有废水COD、BOD监测设备1-3；

所述阴极菌液入口4-3与阴极菌液培养罐3-2通过阴极菌液输送管3-6连接，阴极菌液入口4-3通过空心轴与阴极电极4-9相通，阴极菌液直接注入至阴极附近；在出水口4-12设置有出水COD、BOD监测设备1-4；

阳极电极4-7与阴极电极4-9通过导线相连接，由反应器壁引出，并通过密封圈 4-10、4-11进行密封；

废水缓冲稳定区4-4与有机废水主处理区4-5之间通过隔板4-6间隔，隔板4-6 末端设有排出口4-13；

所述微生物燃料电池组外部构筑物8位于微生物燃料电池组4的外部；

所述电压监测设备1-1、蓄电池6和控制开关7分别与外系统建筑物5连接。

作为优选，所述菌液中具有重金属耐受性、低氧，温度适应范围广特性的细菌筛选自西太平洋深度为5812米热液喷口和东太平洋洋隆水深2891米处的沉积物，本发明处理有机废物所用微生物为由该沉积物筛选出的复合多种菌株(原始菌液)。筛选菌株条件：温度0～80℃、pH5.5～8、盐浓度3％～17％、溶解氧0.1～1mg/L。本发明不对菌株进行分离鉴定，仅利用上述筛选条件由上述公知的沉积物中筛序出含多种菌株的原始菌液。

作为优选，电压监测设备1-1对外系统建筑物5两端电压进行实时监测，确保由水泥基发热材料构成的外系统建筑物或5处于正常产热状态；阳极监测设备1-2位于阳极电极4-7上，对阳极运行的温度、pH、DO值进行实时监测，确保有机废水主处理区4-5处于正常运行状态；废水COD、BOD监测设备1-3位于废水缓冲稳定区 4-4入口，对新加入废水中的有机物浓度进行实时监测，及时调整废水流量；出水 COD、BOD监测设备1-4位于出水口4-12附近，对出水口处理后的有机废水进行监测，确保出水达到排放标准。其中，未达标出水返回废水储蓄池3-7，重新进入微生物燃料电池组4进行处理。

作为优选，所述微生物燃料电池组4产生的电能由蓄电池6储存并通过控制开关7，对由水泥基发热复合材料构成的外系统建筑物或构筑物5进行连续恒定的供能产热；

所述电压监测设备1-1、阳极监测设备1-2、废水COD、BOD监测设备1-3和出水COD、BOD监测设备1-4所监测的信号通过数据处理器2-1的识别、转换、传输，可实时通过外部终端2-2进行观测；

所述外部终端2-2的控制信号通过数据处理器2-1的识别、转换、传输，可实时控制阳极菌液流量泵3-3与废水流量泵3-8开启、停止及输送流量的改变。

作为优选，所述阳极电极4-7位于有机废水主处理区4-5，由若干个石墨毡制成的导电载体并排安装在阳极中心轴上,安装间隔为5～8cm，形成一个阳极单元 (4-7-n-m)，若干个阳极单元(4-7-n-1、4-7-n-2、4-7-n-3、……、4-7-n-m)间隔20-30cm 排列形成阳极组(4-7-1、4-7-2、4-7-3、……、4-7-n)；阳极组之间并列排列，间隔为5～10cm，其中，n为阳极电极组序号，m为阳极单元序号(n、m取值范围为1～6)；

所述阴极电极4-9置于空气与反应容器内污水的临界位置，阴极电极4-9由多个阴极组(4-9-n)相互间隔5-10cm并列排列构成，每个阴极组由若干阴极单元(4-9-n-m) 组成，每个阴极单元的石墨毡平板以36～72°夹角呈发射状安装于中心轴上，其中， n为阴极电极组序号，m为阴极单元序号(n、m取值范围为1～6)，随中心轴的转动，各枝状阴极交替与污水和外界空气接触。

作为优选，所述隔板4-6成10～15°倾斜安装，隔板4-6将废水缓冲稳定区4-4 与有机废水主处理区4-5分隔，使新加入的废水在废水缓冲稳定区4-4流态稳定后，由隔板4-6右侧的空隙平稳进入有机废水主处理区4-5，将有机废水主处理区4-5产生的沉淀物(老化生物膜、絮凝物和络合物等)滑落至排出口4-13，定期清理排出。

作为优选，微生物燃料电池组外部构筑物8为水泥基发热复合材料，由自身产生的电能供热保证微生物燃料电池系统处于正常工作温度下进行。

作为优选，由水泥基发热材料构成的外系统建筑物5是碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料，或中间及下层包裹碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的硅酸盐水泥，碳纤维均匀分布形成导电网络，减小硫氧镁水泥内阻，提高电热性能。

本发明提供一种所述装置的深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的方法，包括以下步骤：

1)将附近生活区、工业区的产生的有机废水收集运输至废水储蓄池3-7中，对压监测设备1-1对由水泥基发热材料构成的外系统建筑物5两端电压进行实时监测，阳极监测设备1-2位于阳极电极4-7附近，对阳极运行的温度、pH 、DO值进行实时监测；废水COD、BOD监测设备1-3位于废水缓冲稳定区4-4入口，对新加入废水中的有机物浓度进行实时监测，根据数据及时调整废水流量；出水口处的废水COD、 BOD监测设备1-4位于出水口4-12附近，对出水口处理后的有机废水进行监测，确保出水达到排放标准。未达标出水返回废水储蓄池3-7，重新进入微生物燃料电池组 4进行处理。所有监控信号均通过数据处理器2-1的识别、转换、传输，可实时通过外部终端2-2进行观测；

其中，根据所得监测数据可知碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的发热状态、阳极区的环境以及排出废水的有机物含量，通过外部终端2-2进行相应调整，控制信号通过数据处理器2-1的识别、转换、传输，可实时控制阳极菌液流量泵3-3，阴极菌液流量泵3-4与废水流量泵3-8，将菌液与有机废水按实际情况要求注入至阳极电极 4-7，阳极电极4-9与废水缓冲稳定区4-4；

废水缓冲稳定区4-4与有机废水主处理区4-5由隔板4-6分隔，隔板4-6成10～ 15°倾斜安装，将有机废水主处理区4-5产生的沉淀物(老化生物膜、絮凝物和络合物等)滑落至排出口4-13，定期清理排出。

通过废水入口4-2补充的废水由于废水流量泵3-8的实时控制，流速的不断变化会形成紊流，若直接进入有机废水主处理区4-5，不利于反应的进行。待在缓冲稳定区4-4流态稳定后，通过隔板4-6右侧空隙平稳进入有机废水主处理区4-5；

在有机废水主处理区4-5中，阳极电极4-7位于中心位置，由若干个由石墨毡制成的导电载体并排安装在阳极中心轴上，间隔为5～10cm。阳极菌液入口4-1通过空心细管与阳极电极4-7相通，阳极菌液直接注入至阳极附近。微生物在厌氧环境中分解有机物产生电子与质子，阳极电极4-7得到电子由导线通过外电路负载向阴极电极 4-9传递，并通过密封圈4-10、4-11实现密封。同时质子在电池内部由阳极电极4-7 向阴极电极4-9传导。

阴极反应区4-8中的阴极电极4-9置于空气与反应容器内污水的临界位置。阴极菌液入口4-3通过空心轴与阴极电极4-9相通，阴极菌液直接注入至阴极附近；阴极电极4-9由石墨毡平板以36～72°夹角呈发射状安装于中心轴上，随中心轴的转动，各支状阴极交替与污水和外界空气接触，在接收到电子和质子后，将氧气作为最终的电子受体，发生还原反应，产物为水。电子不断产生、传递形成电流,完成产电过程。

2)为了缓冲MFC电能波动，避免微生物处理的不稳定性，实现电能连续恒定的输出，所产生的电能先储存于蓄电池6中，再由控制开关7完成对由水泥基发热材料构成的外系统建筑物5的供电产热。

本发明提供了深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置包括：废水缓冲稳定区，有机废水主处理区，菌群增殖区，电压数据采集系统，菌液循环系统及负载导电发热水泥基材料，其中，负载导电发热水泥基材料将其加热区域从四周和(或)底部环绕包裹，或接到附近建筑墙体。利用深海热液沉积物分离的微生物菌群，基于降解底物筛选出高效降解，并扩大培养。菌液进入废水处理系统，接通电压数据采集系统、菌液循环系统及负载发热导电水泥基材料。根据电压数据系统数值，控制废水缓冲稳定区流入有机废物主处理区的流速，以稳定电压输出，将产电菌处理废水所在各独立系统的电压互相串联和(或)并联，增大输出电压，外接负载导电发热水泥基材料(基于硅酸盐水泥或镁水泥)产热，维持废水处理的环境温度，或给建筑、构筑物供热。由于菌液处理废水时最佳环境温度不同及建筑或构筑物所需温度不同，通过负载区导电水泥基接入量或串联电压来调节功率。该方法将筛选深海产电菌株以燃料电池方式运行，各单元电压串联外接导电水泥基材料供热，低温环境下保证处理废水的菌株活性，或(并)给建筑或构筑物供热(路面融雪、融冰，室外运动场如蓝、排球场化冰)。

现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明所使用的燃料电池中加入了废水缓冲区，可有效避免废水不规律流动对微生物反应区造成的扰动。且将阳极电极改进为多组电极组，并装有多个阳极单元，有效增加了微生物附着面积，极大地提高了反应速率；阴极电极改进为可绕中心主轴旋转的枝杈状，有效增加了与阳气的接触面积，极大地提高了反应速率。电池组可通过灵活的串并联方式，提供稳定的输出功率。所处理废水COD值可降低98％以上，大分子有机物充分分解，COD降至1.0mg/L以下。

本发明所制的纤维-硫氧镁水泥基复合材料综合了硅酸盐水泥与碳纤维-硫氧镁水泥的特性，具有高强度、低电阻、耐腐蚀、耐高温、轻质、早强、吸水率低、电热转化效率高的特点。目前电热效率可达到48.85％通过筛选深海产电菌株以燃料电池方式为其提供稳定电压和输出功率。因其稳定的发热性能，不仅可达到对微生物燃料电池外部池体的供热目的，还可利用于给建筑或构筑物供热及融雪化冰等。

本发明在处理有机废水的同时，实现了能源的再生利用，有利于环境保护，符合可持续发展的需求。

附图说明

图1为本发明深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的方法流程图；

图2为本发明深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热装置图；

图3为图2中A部分的装置局部放大图；

图4为本发明微生物燃料电池阴极组与阳极组的位置关系示意图。

具体实施方式

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例中部分原料规格如下所述：

(1)氧化镁

辽宁省海城产，外观呈白色粉末，是菱镁矿在反射窑中经750～850℃煅烧，再经磨细而成，检测得氧化镁活性62.4％；

(2)硫酸镁

硫酸镁符合HG/T2680-2009工业硫酸镁Ⅰ类一等品要求；

(3)碳纤维

长度9mm的聚丙烯腈(PAN)为原材料的PAN基碳纤维，直径为5～7μm，电阻率为1.5×10-3Ω/cm，抗拉强度为3.5～3.8GPa，南京维达复合材料有限公司；

(4)硅粉

300目，颗粒粒径0.01μm～0.1μm纯度97.0％，洛阳汇矽微硅粉有限公司；

(5)分散剂

羧甲基纤维素钠(CMC)，粘度300Pa.s济南溪川化工科技有限公司；

(6)改性剂

柠檬酸，分析纯，北京化工厂；

(7)消泡剂

液体磷酸三丁酯，佛山市南海大田化学有限公司。

实施例1

将40质量份的硫酸镁溶解在20℃、120质量份的水中，得到饱和硫酸镁溶液中加入0.8质量份的柠檬酸与3质量份的短切碳纤维，倒入搅拌机，搅拌1min后，加入100质量份的轻烧氧化镁继续搅拌2min，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，搅拌5min得到浆体。在温度为30℃，相对湿度60％的环境中养护28d。按GB177-92方法测试，其28d抗压强度为71.3MPa，浸泡水28d后的耐水系数为1.07，材料的电阻为89.30Ω。

在施工过程中，将制得的碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料横向并排以1m的间隔嵌入硅酸盐水泥中，上部硅酸盐水泥厚度为15mm。所得水泥基材料制成的路面、机场跑道，接入图1和图2所述的电路中，微生物燃料电池组4中由20个小型深海热液微生物燃料电池串联和(或)并联而成。将附近生活区、工业区的产生的有机废水收集运输至废水储蓄池3-7中。由数据处理器2-1对电压监测设备1-1对由水泥基发热材料构成的外系统建筑物或构筑物5两端电压实时监测的数据，阳极监测设备 1-2位于阳极电极4-7对运行的温度、pH 、DO值进行实时监测、废水COD、BOD 监测设备1-3位于废水缓冲稳定区4-4入口，对新加入废水中的有机物浓度进行实时监测的数据和出水COD、BOD监测设备1-4位于出水口4-12附近，对排出的废水中的COD、BOD实时监测的数据进行处理，由外部终端2-2观测并进行操作，通过控制阳极菌液流量泵3-3，阴极菌液流量泵3-4与废水流量泵3-8，将菌液与有机废水按实际情况要求注入微生物燃料电池组4中，并及时将不合格废水返回至废水储蓄池3-7中。

微生物燃料电池组的单个微生物燃料电池包括废水缓冲稳定区4-4、有机废水主处理区4-5和阴极反应区4-8三部分。废水缓冲稳定区4-4与有机废水主处理区4-5 由隔板4-6分隔，隔板4-6成15°倾斜安装，将有机废水主处理区4-5产生的沉淀物 (老化生物膜、絮凝物和络合物等)滑落至排出口4-13，定期清理排出。在有机废水主处理区4-5中，阳极电极4-7位于中心位置，由若干个由石墨毡制成的导电载体并排安装在阳极中心轴上，间隔为10cm。阴极反应区4-8位于有机废水主处理区4-5 上部，其中出水口4-12在装置顶部，实现溢流排水。阴极电极4-9置于空气与反应容器内污水的临界位置。阴极电极4-9由石墨毡平板以36～72°夹角呈发射状安装于中心轴上，随中心轴的转动，各支状阴极交替与污水和外界空气接触。

通过废水入口4-2补充的废水在废水缓冲稳定区4-4流态稳定后，通过隔板4-6 右侧空隙平稳进入有机废水主处理区4-5；阳极菌液入口4-1通过空心细管与阳极电极4-7相通，菌液直接注入至阳极附近。微生物在厌氧环境中分解有机物产生电子与质子，阳极电极4-7得到电子由导线通过外电路负载向阴极电极4-9传递，并通过密封圈4-10、4-11实现密封。同时质子在电池内部由阳极电极4-7向阴极电极4-9传导。阴极电极4-9在接收到电子和质子后，将氧气作为最终的电子受体，发生还原反应，产物为水，电子不断产生、传递形成电流,完成产电过程。

为了缓冲MFC电能波动，避免微生物处理的不稳定性，实现电能连续恒定的输出。所产生的电能先储存于蓄电池6中，再由控制开关7完成对公路、机场跑道的供电产热。

处理后测得废水中COD值降低99％以上，大分子有机物充分分解，COD降至1 mg/L以下。燃料电池组稳定输出12V电压。在温度为-10℃的环境中，1h内，碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的升温至6℃，并随后保持在5～8℃之间，此时热转化效率在45％～48％之间。燃料电池组的温度稳定在10～12℃，使微生物处于正常工作温度。在处理有机废水达到国家排放标准的同时，使水泥基材料温度稳定在5～8℃。在高效附近生活区、工业区产生的有机废水的同时，不仅可达到对微生物燃料电池外部池体的供热目的，还可实现公路、机场等交通化雪消冰的目的。

实施例2

将40质量份的硫酸镁溶解在20℃、120质量份的水中，得到饱和硫酸镁溶液中加入1质量份的柠檬酸与3质量份的短切碳纤维，倒入搅拌机，搅拌1min后，加入 100质量份的轻烧氧化镁继续搅拌2min，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，搅拌5min得到浆体。在温度为30℃，相对湿度60％的环境中养护30d。由按 GB177-92方法测试，其30d抗压强度为66.9MPa，浸泡水28d后的耐水系数为1.03，材料的电阻85.0Ω。

所制得的材料强度完全达到外部池体要求，因此微生物燃料电池外部池体完全由碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料制得。

在施工过程中，将制得的碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料竖向并排以0.5m间隔安装于建筑物墙体表层或内部。所得水泥基材料制成的建筑物墙面，接入图1和图2 所述的电路中，微生物燃料电池组4中由36个小型深海热液微生物燃料电池串联和 (或)并联而成。将附近生活区、工业区的产生的有机废水收集运输至废水储蓄池 3-7中。由数据处理器2-1对电压监测设备1-1对由水泥基发热材料构成的外系统建筑物或构筑物5两端电压实时监测的数据，阳极监测设备1-2位于阳极电极4-7对运行的温度、pH 、DO值进行实时监测、废水COD、BOD监测设备1-3位于废水缓冲稳定区4-4入口，对新加入废水中的有机物浓度进行实时监测的数据和出水COD、 BOD监测设备1-4位于出水口4-12附近，对排出的废水中的COD、BOD实时监测的数据进行处理，由外部终端2-2观测并进行操作，通过控制阳极菌液流量泵3-3，阴极菌液流量泵3-4与废水流量泵3-8，将菌液与有机废水按实际情况要求注入微生物燃料电池组4中，并及时将不合格废水返回至废水储蓄池3-7中。

微生物燃料电池组的单个微生物燃料电池包括废水缓冲稳定区4-4、有机废水主处理区4-5和阴极反应区4-8三部分。废水缓冲稳定区4-4与有机废水主处理区4-5 由隔板4-6分隔，隔板4-6成15°倾斜安装，将有机废水主处理区4-5产生的沉淀物 (老化生物膜、絮凝物和络合物等)滑落至排出口4-13，定期清理排出。在有机废水主处理区4-5中，阳极电极4-7位于中心位置，由若干个由石墨毡制成的导电载体并排安装在阳极中心轴上，间隔为5～10cm。阴极反应区4-8位于有机废水主处理区 4-5上部，其中出水口4-12在装置顶部，实现溢流排水。阴极电极4-9置于空气与反应容器内污水的临界位置。阴极电极4-9由石墨毡平板以72°夹角呈发射状安装于中心轴上，随中心轴的转动，各支状阴极交替与污水和外界空气接触。

为了缓冲MFC电能波动，避免微生物处理的不稳定性，实现电能连续恒定的输出。所产生的电能先储存于蓄电池6中，再由控制开关7完成对建筑物墙壁的供电产热。

处理后测得废水中COD值降低98％以上，大分子有机物充分分解，COD降至 0.8mg/L以下。燃料电池组稳定输出20V电压。在温度为-10℃的环境中，1h内，碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的升温至16℃，并在1.5h后达到并保持在23～25℃之间，此时热转化效率在41％～45％之间。燃料电池组的温度稳定在8～10℃，使微生物处于正常工作温度。在处理有机废水达到国家排放标准的同时，使水泥基材料温度稳定在23～25℃。在高效附近生活区、工业区产生的有机废水的同时，不仅可达到对微生物燃料电池外部池体的供热目的，还可达到对建筑物供热目的。

实施例3

将40质量份的硫酸镁溶解在20℃、120质量份的水中，得到饱和硫酸镁溶液中加入0.5质量份的柠檬酸与2质量份的短切碳纤维，倒入搅拌机，搅拌1min后，加入100质量份的轻烧氧化镁继续搅拌2min，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，搅拌5min得到浆体。在温度为20℃，相对湿度60％的环境中养护28d。由按 GB177-92方法测试，其28d抗压强度为50.6MPa，浸泡水28d后的耐水系数为1.04，材料的电阻100.0Ω。

所制得的材料强度完全达到外部池体要求，因此微生物燃料电池外部池体完全由碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料制得。接入图1和图2所述的电路中，微生物燃料电池组4中由自身若5个小型深海热液微生物燃料电池串联和(或)并联而成。将附近生活区、工业区的产生的有机废水收集运输至废水储蓄池3-7中。由数据处理器 2-1对电压监测设备1-1对由水泥基发热材料构成的外系统建筑物或构筑物5两端电压实时监测的数据，阳极监测设备1-2位于阳极电极4-7对运行的温度、pH 、DO值进行实时监测、废水COD、BOD监测设备1-3位于废水缓冲稳定区4-4入口，对新加入废水中的有机物浓度进行实时监测的数据和出水COD、BOD监测设备1-4位于出水口4-12附近，对排出的废水中的COD、BOD实时监测的数据进行处理，由外部终端2-2观测并进行操作，通过控制阳极菌液流量泵3-3，阴极菌液流量泵3-4与废水流量泵3-8，将菌液与有机废水按实际情况要求注入微生物燃料电池组4中，并及时将不合格废水返回至废水储蓄池3-7中。

微生物燃料电池组的单个微生物燃料电池包括废水缓冲稳定区4-4、有机废水主处理区4-5和阴极反应区4-8三部分。废水缓冲稳定区4-4与有机废水主处理区4-5 由隔板4-6分隔，隔板4-6成10～15°倾斜安装，将有机废水主处理区4-5产生的沉淀物(老化生物膜、絮凝物和络合物等)滑落至排出口4-13，定期清理排出。在有机废水主处理区4-5中，阳极电极4-7位于中心位置，由若干个由石墨毡制成的导电载体并排安装在阳极中心轴上，间隔为10cm。阴极反应区4-8位于有机废水主处理区4-5上部，其中出水口4-12在装置顶部，实现溢流排水。阴极电极4-9置于空气与反应容器内污水的临界位置。阴极电极4-9由石墨毡平板以72°夹角呈发射状安装于中心轴上，随中心轴的转动，各支状阴极交替与污水和外界空气接触。

为了缓冲MFC电能波动，避免微生物处理的不稳定性，实现电能连续恒定的输出。所产生的电能先储存于蓄电池6中，再由控制开关7完成对微生物燃料电池外部池体的供电产热。

处理后测得废水中COD值降低98％以上，大分子有机物充分分解，COD降至 1.0mg/L以下。燃料电池组稳定输出10～16V电压。在温度为-10℃的环境中，1h内，碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的升温至6℃，并在1.5h后达到并保持在5～8℃之间，此时热转化效率在41％～45％之间。在处理有机废水达到国家排放标准的同时，使水泥基材料温度稳定在5～8℃，其内部燃料电池组的微生物处于正常工作温度。在高效附近生活区、工业区产生的有机废水的同时，可达到对微生物燃料电池外部池体的供热目的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置，其特征在于，所述装置包括数据传感监测系统(1)，数据分析控制系统(2)，废水、微生物培养与输送系统(3)，微生物燃料电池组(4)，外系统建筑物(5)，蓄电池(6)，控制开关(7)，微生物燃料电池组外部构筑物(8)；其中，所述外系统建筑物(5)使用水泥基复合材料构建，或中间及下层包裹水泥基复合材料的硅酸盐水泥；

所述微生物燃料电池组外部构筑物(8)使用水泥基复合材料构建；

其中，所述水泥基复合材料按重量份数计，包括：氧化镁80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份；

所述数据传感监测系统(1)包括电压监测设备(1-1)，阳极监测设备(1-2)和废水COD、BOD监测设备(1-3)及出水COD、BOD监测设备(1-4)；

所述数据分析控制系统(2)包括数据处理器(2-1)和外部终端(2-2)；

所述废水、微生物储存与输送系统(3)包括阳极菌液培养罐(3-1)，阴极菌液培养罐(3-2)，阳极菌液流量泵(3-3)，阴极菌液流量泵(3-4)，阳极菌液输送管(3-5)，阴极菌液输送管(3-6)，废水储蓄池(3-7)，废水流量泵(3-8)和废水输送管(3-9)；

所述微生物燃料电池组(4)是由微生物燃料电池经串联和/或并联组成的电池组，所述微生物燃料电池包括废水缓冲稳定区(4-4)、有机废水主处理区(4-5)和阴极反应区(4-8)；所述废水缓冲稳定区(4-4)包括废水入口(4-2)；所述有机废水主处理区(4-5)包括阳极菌液入口(4-1)、阳极电极(4-7)和密封圈(4-10、4-11)；所述阴极反应区(4-8)包括阴极电极(4-9)，阴极菌液入口(4-3)和出水口(4-12)；

其中，阳极菌液输送管(3-5)上设置阳极菌液流量泵(3-3)；阴极菌液输送管(3-6)上设置阴极菌液流量泵(3-4)；废水储蓄池(3-7)与废水输送管(3-9)的入口端连接，废水输送管(3-9)上设置废水流量泵(3-8)；数据处理器(2-1)分别与阴极菌液流量泵(3-4)和废水流量泵(3-8)相连接；

所述废水入口(4-2)与废水储蓄池(3-7)通过废水输送管(3-9)连接；

所述阳极菌液入口(4-1)与阳极菌液培养罐(3-1)通过阳极菌液输送管(3-5)连接，阳极菌液入口(4-1)通过空心管与阳极电极(4-7)相通，阳极菌液直接注入至阳极附近；在阳极电极(4-7)设置有阳极监测设备(1-2)，在废水缓冲稳定区(4-4)的废水入口(4-2)设置有废水COD、BOD监测设备(1-3)；

所述阴极菌液入口(4-3)与阴极菌液培养罐(3-2)通过阴极菌液输送管(3-6) 连接，阴极菌液入口(4-3)通过空心轴与阴极电极(4-9)相通，阴极菌液直接注入至阴极附近；在出水口(4-12)设置有出水COD、BOD监测设备(1-4)；

阳极电极(4-7)与阴极电极(4-9)通过导线相连接，由反应器壁引出，并通过密封圈(4-10、4-11)进行密封；

废水缓冲稳定区(4-4)与有机废水主处理区(4-5)之间通过隔板(4-6)间隔，隔板(4-6)末端设有排出口(4-13)；

所述微生物燃料电池组外部构筑物(8)位于微生物燃料电池组(4)的外部；

所述电压监测设备(1-1)、蓄电池(6)和控制开关(7)分别与外系统建筑物(5)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述氧化镁为轻烧氧化镁，氧化镁含量≧90％，活性在65％以上；

所述硫酸镁为七水硫酸镁；

所述碳纤维为长度3-9mm的聚丙烯腈基碳纤维，直径为5～7μm，电阻率为1.5×10^-3Ω/cm，抗拉强度为3.5～3.8GPa；

所述石墨纯度≧99.85％；

所述改性剂包括柠檬酸；

所述消泡剂为磷酸三丁酯或聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(2)将改性剂溶解在硫酸镁溶液中，然后将碳纤维投入溶解好的硫酸镁溶液，加入氧化镁进行搅拌，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，得到胶凝材料；

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：电压监测设备(1-1)对外系统建筑物(5)两端电压进行监测，阳极监测设备(1-2)位于阳极电极(4-7)上，对阳极运行的温度、pH、DO值进行监测，废水COD、BOD监测设备(1-3)位于废水缓冲稳定区(4-4)入口，对新加入废水中的有机物浓度进行监测，及时调整废水流量；出水COD、BOD监测设备(1-4)位于出水口(4-12)附近，对出水口处理后的有机废水进行监测，其中，未达标出水返回废水储蓄池(3-7)，重新进入微生物燃料电池组(4)进行处理。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述微生物燃料电池组(4)产生的电能由蓄电池(6)储存并通过控制开关(7)，对由复合材料构成的外系统建筑物(5)供能产热；

所述电压监测设备(1-1)、阳极监测设备(1-2)、废水COD、BOD监测设备(1-3)和出水COD、BOD监测设备(1-4)所监测的信号通过数据处理器(2-1)的识别、转换、传输，通过外部终端(2-2)进行观测；所述外部终端(2-2)的控制信号通过数据处理器(2-1)的识别、转换、传输，控制阳极菌液流量泵(3-3)与废水流量泵(3-8)开启、停止及输送流量的改变。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阳极电极(4-7)位于有机废水主处理区(4-5)，由石墨毡制成的导电载体并排安装在阳极中心轴上,安装间隔为5～8cm，形成一个阳极单元(4-7-n-m)，若干个阳极单元(4-7-n-1、4-7-n-2、4-7-n-3、……、4-7-n-m)间隔20-30cm排列形成阳极组(4-7-1、4-7-2、4-7-3、……、4-7-n)；阳极组之间并列排列，间隔为5～10cm，其中，n为阳极电极组序号，m为阳极单元序号，n、m取值范围分别为1～6；所述阴极电极(4-9)置于空气与反应容器内污水的临界位置，阴极电极(4-9)由多个阴极组(4-9-n)相互间隔5-10cm并列排列构成，每个阴极组由若干阴极单元(4-9-n-m)组成，每个阴极单元的石墨毡平板以36～72°夹角呈发射状安装于中心轴上，随中心轴的转动，各枝状阴极交替与污水和外界空气接触，其中，n为阴极电极组序号，m为阴极单元序号，n、m取值范围分别为1～6。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述隔板(4-6)成10～15°倾斜安装，隔板(4-6)将废水缓冲稳定区(4-4)与有机废水主处理区(4-5)分隔，使新加入的废水在废水缓冲稳定区(4-4)流态稳定后，由隔板(4-6)右侧的空隙平稳进入有机废水主处理区(4-5)，将有机废水主处理区(4-5)产生的沉淀物滑落至排出口(4-13)。

8.一种基于权利要求1-7任一所述装置的深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的方法，包括以下步骤：

1)将有机废水收集运输至废水储蓄池(3-7)中，电压监测设备(1-1)对外系统建筑物(5)两端电压进行监测，阳极监测设备(1-2)对阳极运行的温度、pH 、DO值进行监测；缓冲稳定区(4-4)的废水COD、BOD监测设备对新加入废水中的有机物浓度进行监测，根据数据及时调整废水流量；出水口处的废水COD、BOD监测设备对出水口处理后的有机废水进行监测；通过外部终端(2-2)进行调整，控制信号通过数据处理器(2-1)，进而控制阳极菌液流量泵(3-3)，阴极菌液流量泵(3-4)与废水流量泵(3-8)，将菌液与有机废水按需注入微生物燃料电池组(4)中，未达标出水返回废水储蓄池(3-7)，重新进入微生物燃料电池组(4)进行处理；将有机废水主处理区(4-5)产生的沉淀物滑落至排出口(4-13)，清理排出；

其中，由废水流量泵(3-8)控制通过废水入口(4-2)补充的废水，在缓冲稳定区(4-4)流态稳定后，通过隔板(4-6)右侧空隙进入有机废水主处理区(4-5)；

阳极菌液入口(4-1)通过空心细管与阳极电极(4-7)相通，阳极菌液直接注入至阳极附近，微生物在厌氧环境中分解有机物产生电子与质子，阳极电极(4-7)得到电子由导线通过外电路负载向阴极电极(4-9)传递，并通过密封圈(4-10、4-11)实现密封，同时质子在电池内部由阳极电极(4-7)向阴极电极(4-9)传导；

阴极菌液直接注入至阴极附近；阴极电极(4-9)在接收到电子和质子后，将氧气作为最终的电子受体，发生还原反应，产物为水，电子不断产生，在阳极与阴极传递形成电流,完成产电过程；

2)将所产生的电能先储存于蓄电池(6)中，再由控制开关(7)完成对由水泥基发热材料构成的外系统建筑物(5)的供电产热。