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

Fig. 2. Commonly reported causes of process instability of medium- and large-scale biogas plants.
Table 3 
Summary of monitoring biochemical parameters related to the feeding substrate 
[42,53,54]
.
Biochemical 
characteristics 
Parameters 
Availability 
Biogas potential 
Suitability 
TS
a
, VS
b
, C:N:P:S ratio, content of macro- and 
microelements, COD
c
, particle size, pH 
Digestibility 
Easily degradable compounds (e.g. soluble sugar, protein, 
carbohydrate, lipids) 
Low degradable compounds (e.g. hemicelluloses and 
cellulose) 
Undigested compounds (e.g. lignin) 
Impurities and 
inhibitors 
Ash content 
Organic toxicants (e.g. chlorophenols and LCFAs
d
) 
Inorganic toxicants (e.g. ammonia, heavy metal and light 
metal)
a
TS, Total solid; 
b 
VS, Volatile solid; 
c 
COD, Chemical oxygen demand; 
d 
LCFAs, Long chain fatty acids; 
D. Wu et al.

---

Fuel 303 (2021) 121282
7
as an alternative option. Based on a comprehensive summary of various 
studies and field investigations, monitoring at least once per week is 
recommended to obtain sufficient information on the characteristics of 
feedstock of different type 
[9]
. Furthermore, the frequency of external 
testing should be systematically planned and coordinated according to 
the local conditions of the plant and the original source of the feeding 
substrate, especially extra substrate, if any was added. 
3.1.2. Variations in the characteristics of feedstock from the same source 
The biochemical characteristics of a particular substrate from the 
same source may also be highly variable. For example, the amounts of 
cellulose, hemicellulose, and lignin in lignocellulosic feedstock vary 
among species and due to differences in geographical location, biomass 
maturation and harvest periods 
[55]
. Moreover, for FW and municipal 
solid waste (MSW), significant seasonal and regional factors influence 
biochemical characteristics such as moisture content (MC) and volatile 
solids (VS) 
[56,57]
. Such objective factors are commonly and predict-
ably encountered, and their variation may be prevented from having a 
significant impact on AD process stability if the overall quantity of 
feedstock is accurately determined and controlled. In addition, extra 
attention is required when the service scope of a biogas plant is 
expanded. 
Furthermore, for some specific substrates and compounds, pre-
treatments are necessary and commonly applied before the feedstock is 
added to the main digester. However, the application of different pre-
treatment methods can also contribute to changes in feedstock charac-
teristics. For example, FW is commonly reported to contain a high level 
of lipids, ranging from 28.9% to 35.5% of dry matter 
[58]
. Lipids 
represent an energy-rich substrate for biogas production, but large 
amounts of LCFAs can be generated during degradation. Subsequently, 
the adsorption of LCFAs onto biomass can result in various operational 
problems such as biological bulking, flotation and clogging of gas and 
effluent lines. More importantly, high concentrations of LCFAs produced 
by lipids can cause acute toxic inhibition to the AD process. For this 
reason, removal of some lipids contained in FW prior to AD operation is 
widely accepted as an effective method of minimizing the negative ef-
fects caused by LCFAs and enhancing the operational performance of 
biogas plants treating FW 
[49]
. Currently, high-temperature extraction 
is widely used in China to remove and recover high-value lipids, after 
which further solid–liquid separation is applied. Lipids adsorbed onto 
the raw FW can be moved from the solid phase into the liquid phase 
[58,59]
. According to the Technical Code for Food Waste Treatment 
(CJJ 184–2012), the recommended temperature for the pretreatment 
process is generally 95–120 
◦
C, with a pretreatment duration of at least 
20 min. However, for the purpose of reducing internal energy con-
sumption, some biogas plants apply the pretreatment process with a 
lower temperature such as 65 
◦
C 
[60]
. The efficiency of lipid removal 
can be maintained most easily on summer days with a stable and rela-
tively high ambient temperature, but in regions with a cold climate, such 
as the areas in the north of the isotherm traversing the Huaihe River- 
Qinling Mountain-southeast Qinghai-Tibet Platea, the ambient temper-
ature in winter is usually below 0 
◦
C and lipids are consequently 
adsorbed on FW in a solid form 
[61]
. Liquification of solid lipids is 
difficult when the processing temperature is relatively low and the 
retention time is limited, resulting in a significant increase in the con-
centration of lipids in the pretreated substrate. Subsequently, their 
entrance into the main digester also increases the potential risk of pro-
cess instability. 
The influence of pretreatment methods on the biochemical charac-
teristics of feedstock has been summarized in previous studies. For 
example, traditional chemical pretreatment with acids or alkalis can 
easily lead to extreme pH values, which are not favorable for the sub-
sequent AD process 
[62]
. Similarly, melanoidins can be produced by 
reactions between amino acids and carbohydrates in organic waste at 
high temperatures 
[23]
. Phenolic compounds and furan derivatives can 
also be formed during the hydrothermal pre-treatment of lignocellulosic 
biomass at a high temperature 
[63]
. All of these refractory byproducts 
are considered to be associated with reductions in methane potential 
due to inhibition of the activity of methanogenic archaea in the AD 
process. Considering the insufficient information regarding the corre-
lation between pretreatment methods and process stability at the in-
dustrial level in the past, variations in the biochemical characteristics of 
feedstock caused by different pretreatments can often have an unex-
pected impact on the overall performance of the mainstream AD process. 
Therefore, in addition to focusing on feedstock characteristics immedi-
ately after collection, additional monitoring of specific biochemical 
characteristics of feedstock after pretreatment is also strongly 
recommended.