IMPROVEMENT OF BIOGAS PLANT OPERATION MODES
DOI 10.12737/2073-0462-2025-72-78 УДК 631.147
Keywords:
energy supply, organic waste, biogas, fermentation, biofertilizers, ecology.Abstract
The relevance of research on the processing of organic agricultural waste with the addition of various impurities in order to increase the yield of biogas is due to the growing need for efficient and sustainable energy sources. In the context of global climate change and the depletion of traditional resources, biogas is becoming an important alternative that helps reduce greenhouse gas emissions and recycle organic waste. This study examines the processes of anaerobic digestion of organic waste generated in agriculture using a small-volume biogas plant developed at Kazan State Agrarian University. The aim of the work is to increase the efficiency of biogas output through optimization of the parameters and operating modes of the biogas plant. Various types of organic substrates were used in the studies. The operation of the plant depends on an alternating current network (220 V) and consumes no more than 0.8 kW∙h of electricity. In the thermophilic mode (40-55°C) of processing various substrates, the following amount of biogas was produced: 9 m3 from pig manure, 7.6 m3 from chicken manure, 4.96 m3 from horse manure and 8.3 m3 from cattle manure. The greatest increase in biogas is observed when using horse manure in the thermophilic mode. The experimental results show that the use of additives such as Mephosphon and various plant materials significantly increases the output of biogas, which is confirmed by the data obtained, where when using Mephosphon - 11.4 m3, crushed corn - 10.5 m3, birch sawdust - 9.4 m3 and crushed straw - 9.1 m3. These results emphasize the potential of using new additives in the substrate to optimize biogas production processes and contribute to the development of more efficient renewable energy technologies.
References
1. Arsanukaev DL, Zaynalabdieeva KhM, Shidaeva AA. [Microelement induction of oxidoreductive aerobic transformations of substrates]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2024; 2 (66). 163-169 p. doi:10.18286/1816-4501-2024-2-163-169.
2. Zablodskiy M, Klendiy P, Dudar O, Babak D. Energy efficiency of the extrusion process and its effect on output of biogas during the fermentation of maize and rape straw. Problems of the Regional Energetics. 2024; 1(61). 127-139 p. doi:10.52254/1857-0070.2024.1-61.11.
3. Kovalev AA, Mikheeva ER, Katraeva IV. Bioenergy recovery from two-stage mesophilic-thermophilic anaerobic digestion of cheese whey. International Journal of Hydrogen Energy. 2023; Vol.48. 12. 4676-4685 p. doi:10.1016/j.ijhydene.2022.11.003.
4. Osepchuk DV, Danilova AA, Vlasov AB. [Effect of feeding a feed additive based on logging waste on meat productivity indicators of quails]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2025; 1(69). 112-116 p. doi: 10.18286/1816-4501-2025-1-112-116.
5. Shogenov YuKh, Dudarov ZI, Zanilov AKh. [Assessment of the contribution of root carbon nutrition to the formation of plant biomass in a model experiment]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2024; Vol.19. 4(76). 88-94 p. doi:10.12737/2073-0462-2024-88-94.
6. Druzyanova VP, Kokieva GE, Savvateeva IA. Livestock enterprises waste utilization for heat system supply to rural buildings in Yakutia. IOP conference series: materials science and engineering. Barnaul: Institute of Physics Publishing, 2020; 012018 p. doi:10.1088/1757-899X/941/1/012018.
7. Apazhev AK, Shekhikachev YuA, Fiapshev AG. [Development and study of a bioreactor for producing biofertilizer and biogas]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2016; Vol.11. 2(40). 60-63 p. doi:10.12737/20637.
8. Lakhonin PD, Kolesnik NS, Zelenchenkova AA. [Effect of concentrate levels on nutrient digestibility and amount of methanogens in sheep]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2024; 3(67). 174-181 p. doi: 10.18286/1816-4501-2024-3-174-181.
9. Gorbenko AD, Kaplan MA, Kvitko AV, Sevostyanov MA. [Use of organic waste as raw materials for various methods of producing biofuels (review)]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2023; Vol.37. 4. 61-68 p. doi: 10.53859/02352451_2023_37_4_61.
10. Druzyanova VP, Sergeev YuA. [Technology of anaerobic digestion of beddingless cattle manure]. Agrarnaya nauka. 2015; 5. 24-26 p.
11. Fiapshev AG, Khamokov MM, Kilchukova OKh. Mathematical model of heat transfer in the reactor of a biogas plant. Journal of Physics: Conference Series, Krasnoyarsk, Russian Federation. Vol.1679. Krasnoyarsk, Russian Federation: Institute of Physics and IOP Publishing Limited. 2020; 52074 p. doi:10.1088/1742-6596/1679/5/052074.
12. Gaydar SM, Pikina AM, Lapsar OM. [Technology of processing fat-containing waste from meat processing plants into surfactants]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2023; Vol.37. 12. 77-81 p. – doi: 10.53859/02352451_2023_37_12_77.
13. Khazhmetova AL, Apazhev AK, Shekikhachev YuA. [Technological and technical support for increasing the efficiency of intensive mountain and foothill horticulture]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2019; 6(264). 23-28 p. doi:10.33267/2072-9642-2019-6-23-28.
14. Hung CH, Chang YT, Chang YJ. Roles of microorganisms other than Clostridium and Enterobacter in anaerobic fermentative biohydrogen production systems - a review. Bioresource technology. 2011; Vol.102. 18. 8437-8444 p.
15. Ratti RP. Thermophilic hydrogen production from sugarcane bagasse pretreated by steam explosion and alkaline delignification. International Journal of Hydrogen Energy. 2015; Vol.40. 19. 6296-6306 p.
16. Khaliullina Z, Shogenov Yu, Gayfullin I. The use of the Mephosphon drug to accelerate the process of biogas output and ripening of organic wastes. Bio web of conferences: International Scientific-Practical Conference "Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources" (FIES 2020). EDP Sciences: EDP Sciences. 2020; 00127 p. doi:10.1051/bioconf/20202700127.
17. Dai NH. Hydrogen production from acidic, alkaline, and steam-exploded Bambusa stenostachya hydrolysates in dark fermentation process. Biomass Conversion and Biorefinery. 2021; 1-12 p.
18. Ziganshin BG, Kashapov II, Gayfullin IKh. [Relevance of the use of biogas plants in Russia and abroad]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2017; Vol.12. 2(44). 71-74 p. doi:10.12737/article_59ad07085075f5.79036838.
19. Ziganshin BG, Gayfullin IKh, Rudakov AI. [Calculation of heat balance and justification of parameters of a small-sized biogas plant with mesophilic fermentation of substrate]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2016; Vol.11. 3(41). 63-67 p. doi:10.12737/22678.
20. Ganiev AS, Sibagatullin FS, Ziganshin BG. [Use of fertilizers from chicken manure for growing organic products]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2022; Vol.17. 1(65). 9-14 p. doi:10.12737/2073-0462-2022-9-14.
1. Арсанукаев Д.Л., Зайналабдиеева Х.М., Шидаева А.А. Микроэлементная индукция оксидоредуктивных аэробных трансформаций субстратов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2024. № 2(66). С. 163-169. doi:10.18286/1816-4501-2024-2-163-169.
2. Energy Efficiency of the Extrusion Process and its Effect on Output of Biogas during the Fermentation of Maize and Rape Straw / M. Zablodskiy, P. Klendiy, O. Dudar, D. Babak // Problems of the Regional Energetics. 2024. No. 1(61). P. 127-139. doi:10.52254/1857-0070.2024.1-61.11.
3. Bioenergy recovery from two-stage mesophilic-thermophilic anaerobic digestion of cheese whey / A. A. Kovalev, E. R. Mikheeva, I. V. Katraeva, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48, No. 12. P. 4676-4685. doi:10.1016/j.ijhydene.2022.11.003.
4. Осепчук Д. В., Данилова А. А., Власов А. Б. Влияние скармливания кормовой добавки на основе отходов лесозаготовки на показатели мясной продуктивности перепелов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2025. № 1(69). С. 112-116. doi: 10.18286/1816-4501-2025-1-112-116.
5. Шогенов Ю. Х., Дударов З. И., Занилов А. Х. Оценка вклада корневого углеродного питания в формирование растительной биомассы в модельном эксперименте // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2024. Т. 19. № 4(76). С. 88-94. doi:10.12737/2073-0462-2024-88-94.
6. Livestock enterprises waste utilization for heat system supply to rural buildings in Yakutia / V. P. Druzyanova, G. E. Kokieva, I. A. Savvateeva, et al. // IOP conference series: materials science and engineering. Barnaul: Institute of Physics Publishing, 2020. P. 012018. doi:10.1088/1757-899X/941/1/012018.
7. Апажев А.К., Шехикачев Ю.А., Фиапшев А.Г. Разработка и исследование биореактора для получения биоудобрения и биогаза // Вестник Казанского ГАУ. 2016. Т. 11. № 2(40). С. 60-63. doi:10.12737/20637.
8. Лахонин П. Д., Колесник Н. С., Зеленченкова А. А. Влияние уровня концентратов на переваримость питательных веществ и количество метаногенов у овец // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2024. № 3(67). С. 174-181. doi: 10.18286/1816-4501-2024-3-174-181.
9. Использование органических отходов в качестве сырья для различных методов получения биотоплива (обзор) / А. Д. Горбенко, М. А. Каплан, А. В. Квитко, М. А. Севостьянов // Достижения науки и техники АПК. 2023. Т. 37. № 4. С. 61-68. doi: 10.53859/02352451_2023_37_4_61.
10. Друзьянова В.П., Сергеев Ю.А. Технология анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота // Аграрная наука. 2015. № 5. С. 24-26.
11. Fiapshev A. G., Khamokov M.M., Kilchukova O.Kh. Mathematical model of heat transfer in the reactor of a biogas plant // Journal of Physics: Conference Series, Krasnoyarsk, Russian Federation. Vol. 1679. Krasnoyarsk, Russian Federation: Institute of Physics and IOP Publishing Limited, 2020. P. 52074. doi:10.1088/1742-6596/1679/5/052074.
12. Гайдар С. М., Пикина А. М., Лапсарь О. М. Технология переработки жиросодержащих отходов мясоперерабатывающих предприятий в поверхностно-активные вещества // Достижения науки и техники АПК. 2023. Т. 37. № 12. С. 77-81. doi: 10.53859/02352451_2023_37_12_77.
13. Технологическое и техническое обеспечение повышения эффективности интенсивного горного и предгорного садоводства / А. Л. Хажметова, А. К. Апажев, Ю. А. Шекихачев, и др. // Техника и оборудование для села. 2019. № 6(264). С. 23-28. doi:10.33267/2072-9642-2019-6-23-28.
14. Hung C. H., Chang Y. T., Chang Y. J. Roles of microorganisms other than Clostridium and Enterobacter in anaerobic fermentative biohydrogen production systems–a review //Bioresource technology. 2011. Т. 102. №. 18. С. 8437-8444.
15. Ratti R.P. Thermophilic hydrogen production from sugarcane bagasse pretreated by steam explosion and alkaline delignification // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Т. 40. №. 19. С. 6296-6306.
16. The use of the Mephosphon drug to accelerate the process of biogas output and ripening of organic wastes / Z. Khaliullina, Yu. Shogenov, I. Gayfullin et al. // Bio web of conferences: International Scientific-Practical Conference "Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources" (FIES 2020). EDP Sciences: EDP Sciences, 2020. P. 00127. doi:10.1051/bioconf/20202700127.
17. Dai N. H. Hydrogen production from acidic, alkaline, and steam-exploded Bambusa stenostachya hydrolysates in dark fermentation process // Biomass Conversion and Biorefinery. 2021. С. 1-12.
18. Актуальность применения биогазовых установок в России и за рубежом / Б. Г. Зиганшин, И. И. Кашапов, И. Х. Гайфуллин, и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2017. Т. 12. № 2(44). С. 71-74. doi:10.12737/article_59ad07085075f5.79036838.
19. Расчет теплового баланса и обоснование параметров малогабаритной биогазовой установки с мезофильным сбраживанием субстрата / Б. Г. Зиганшин, И. Х. Гайфуллин, А. И. Рудаков и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2016. Т. 11. № 3(41). С. 63-67. doi:10.12737/22678.
20. Использование удобрений из куриного помета для выращивания органической продукции / А. С. Ганиев, Ф. С. Сибагатуллин, Б. Г. Зиганшин, и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2022. Т. 17. № 1(65). С. 9-14. doi:10.12737/2073-0462-2022-9-14
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
Categories
License
Copyright (c) 2026 Vestnik of Kazan state agrarian university
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
