Commercial biogas plants: Review on operational parameters and guide for performance optimization

Nomenclature 
AD 
Anaerobic digestion 
AnMBRs Anaerobic membrane bioreactors 
BMP 
Biochemical methane potential 
C/N 
Carbon to nitrogen ratio 
CaO 
Calcium oxide 
CFD 
Computational fluid dynamics 
CH
4 
Methane 
CHP 
Combined heat and power 
CO
2 
Carbon dioxide 
COD 
Chemical oxygen demand 
CSTR 
Continuous stirred tank reactor 
DIET 
Direct interspecies electron transfer 
EPS 
Extracellular polymer substances 
FAN 
Free ammonia nitrogen 
FW 
Food waste 
GHG 
Greenhouse gas 
HRT 
Hydraulic retention time 
Kg VS⋅m
−
3
⋅
d
-1
Kilogram VS per m
3 
per day 
LCFA 
Long chain fatty acid 
MC 
Moisture content 
MSW 
Municipal solid waste 
NH
4
+
Ammonium 
NPs 
Nanoparticles 
OLR 
Organic loading rate 
PFR 
Plug-flow reactor 
SMP 
Specific methane production 
SRT 
Sludge retention time 
TS 
Total solid 
VFAs 
Volatile fatty acids 
VS 
Volatile solid
Fig. 1. Overview of the number of medium- and large-scale biogas plants in Europe (2009–2019) and China (2009–2016) 
[6,7]
.
D. Wu et al.

---

Fuel 303 (2021) 121282
3
operational parameters of AD can enhance the activity and growth of 
key anaerobic microorganisms, potentially resulting in significantly 
improved process stability and biogas yield 
[2,24]
. More importantly, 
from the perspective of commercial operation, the manipulation of 
operational parameters is more feasible and practicable in comparison 
with the other approaches listed in 
Table 1
, such as bioaugmentation 
and nanoparticles. 
Considering the state of research into the optimal configuration and 
adjustment of the operational parameters of AD in a commercial setting, 
as outlined above, a review of the general operational status and per-
formance of commercial medium- and large-scale biogas plants is firstly 
provided. Next, the correlation among each commonly used operational 
parameter and overall AD performance is systematically elaborated. The 
influence of related upstream approaches on operational parameters is 
involved, and corresponding suggestions are provided. Finally, areas for 
future research are proposed in terms of technical and management 
requirements for optimizing the utilization of process capacity and 
preventing potential system failures. The purpose of this manuscript is to 
critically analyze the obstacles encountered in the field of commercial 
biogas plants and provide guidance for the optimization of such plants.