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

Part of the digestate was pumped 
out to lower the level in the 
digesters, such that the foam could 
be stirred in by fixed-position 
agitators 
The foam disappeared after 1 
week 
[13] 
Mesophilic conditions, one-stage with 
two digesters (1,000 m
3 
each) 
Agitation: recirculation and pneumatic 
Feeding substrates: commercial food 
waste (8,320 t⋅a
-1
), vegetable materials 
(3,070 t⋅a
-1
), grease separator contents 
and flotation tailings (3,040 t⋅a
-1
), 
pastry waste (1,400 t⋅a
-1
), and 
miscellaneous (dairy wastewater, 
potato waste, old bread grain sieving 
waste, 170 t⋅a
-1
) 
OLR: 2.8 kg VS⋅m
−
3
⋅
d
-1 
HRT: 29 d 
Excessive foaming event 
accompanied by a decrease 
of 50% in biogas 
production 
Higher concentrations of 
propionate, butyrate, and 
calcium 
Prohibited chloride-containing 
disinfectants were used in the restaurant, 
which entered into the grease separator 
contents 
– 
Thermophilic conditions, one-stage 
with one reactor (3,600 m
3
) 
Feeding substrate: waste and sludge 
from potato processing (36,500 t⋅a
-1
) 
OLR: 2.8 kg VS⋅m
−
3
⋅
d
-1 
HRT: 36 d 
Agitation: recirculation 
Long-term foaming at the 
start-up stage with 
decreased biogas 
production 
Excessive foam formation 
during the full-load stage 
Due to new digestate processing, the 
phosphate concentration in the sewage 
sludge fed to the digester increased 
Pumping water into the digester led to a 
considerable reduction in temperature 
Used a starvation diet and pumped 
water into the digester 
Excessive foaming was so serious 
that the reactors had to be pumped 
out and re-inoculated 
Mesophilic conditions, two-stage (with 
open mash and hydrolysis stage) 
Feeding substrates: grain waste 
products (22,800 t⋅a
-1
) and grease 
separator contents (1,200 t⋅a
-1
) 
HRT: 30–35 d 
Agitation: hydraulic 
Very high concentration of 
ammonium-nitrogen 
Occurrence of foaming at 
all process stages
Grain waste products are rich in protein, 
and the recirculation of digestate may 
have contributed to the accumulation of 
ammonium in the reactor 
The application of anti-foaming 
agents was not successful; 
therefore, all stages were equipped 
with stirrers that operated 
continuously
a
VFAs, Volatile fatty acids; 
b 
HRT, Hydraulic retention time; 
c 
C/N, Carbon to nitrogen ratio; 
d 
LCFAs, Long chain fatty acids; 
e 
OLR, Organic loading rate; 
f 
PFR, Plug- 
flow reactor; 
g 
CSTR, Continuous stirred tank reactor; 
D. Wu et al.

---

Fuel 303 (2021) 121282
6
plants co-digesting animal manure and energy crops 
[45]
. The strategy 
of anaerobic co-digestion is essential for a plant’s economy; however, as 
mentioned in 
Table 1
, mixed feedstock of different types from various 
sources are usually extremely complex and contain several compounds 
that can result in either successful process optimization or disturbances 
in biogas production if not handled properly 
[11,44,46]
. The subsequent 
impact of feedstock changes on the AD process is mainly reflected in 
changes in degradation characteristics and toxic inhibition. 
For example, as reported by Nielsen and Angelidaki 
[11] 
and Moeller 
et al. 
[39]
, the addition of blood or rye groats led to an indirect increase 
in OLR and an immediate significant increase in VFA concentration 
caused by the fast utilization of this highly biodegradable substrate, and 
process instability occurred as a result. Moreover, extra added grain 
husks, which are rich in protein, and grease and cooking oil, which are 
rich in lipids, were used in Moeller et al. 
[39] 
and Moeller and G¨orsch 
[12]
, and all of these materials have been classified as foaming agents. 
These ionizable structures contain both hydrophobic and hydrophilic 
available ends, so the produced biogas is retained at the reactor liquid 
interface, and this increase in gas holdup eventually results in rapid 
expansion events 
[47,48]
. Thus, the degradation characteristics of these 
biochemical compounds under high OLR operating conditions or 
following sudden addition to a reactor are positively associated with the 
causation and enhancement of foaming incidents. 
In addition, toxic inhibition may also be induced during the release 
of certain compounds from additional substrates. According to further 
analysis of the cases reported by Nielsen and Angelidaki 
[11]
, Lienen 
et al. 
[40]
, and Moeller and G¨orsch 
[12]
, the addition of lipid-rich 
substrates can produce large amounts of long-chain fatty acids 
(LCFAs). LCFAs are commonly reported to be toxic to anaerobic mi-
croorganisms, even at low concentrations 
[49]
. Similarly, ammonia- 
induced perturbation of anaerobic digesters often appears concur-
rently with increased loading or the sudden addition of a large amount 
of ammonia-rich organic substrate. In the cases reported by Nielsen and 
Angelidaki 
[11,38]
, process instability was mainly caused by the 
inhibitory effect of free ammonia nitrogen (FAN) released during pro-
tein hydrolysis and the breakdown of urea in the supplemented blood or 
waste from mink farms. It is generally accepted that a high concentra-
tion of ammonium (NH
4
+
) can inhibit the synthesis of methanogenic 
enzymes and FAN can diffuse passively into bacterial cells, causing 
proton imbalance or potassium deficiency, the latter of which is widely 
considered to be the primary cause of ammonia inhibition 
[50,51]
. 
As emphasized by these reported cases, no practical evaluation of the 
degradability/toxicity of new substrates is performed prior to their 
addition to reactors. Consequently it is unknown whether the extra 
substrate is suitable for the current AD process and/or in which amounts 
it is applicable. However, proper evaluation and analysis of a substrate 
prior to its addition may allow precautionary countermeasures to be 
taken in advance. It is generally regarded that those critical substrates 
should be omitted in the best-case scenario and if it is not possible to 
entirely exclude those substrates, it is recommended to be added to the 
biogas digesters in small doses, allowing a long period of adaptation 
with careful process monitoring 
[11,39]
. 
Thus, a comprehensive understanding of the types and biochemical 
characteristics of feedstock plays a critical role in preventing process 
instability and optimizing AD systems, and additional focus should be 
placed on feedstock evaluation and monitoring during the daily man-
agement of commercial biogas plants. Commonly used parameters for 
monitoring feeding substrates are summarized in 
Table 3
. Unfortu-
nately, it remains difficult for most commercial biogas plants to achieve 
online/in-situ monitoring and analysis of feedstock with equipment and 
methods that are currently available at an acceptable cost 
[52]
. 
Considering this limitation, external laboratory testing is recommended