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

particularly worth emphasizing the significant differences in manage-
ment practices that exist between the laboratory and industrial levels, 
which are mainly ascribed to poor source separation and inefficient 
collection performance at the industrial level. For most developing 
countries, such as China, the processes of source separation and waste 
classification are not performed comprehensively, and both compliance 
and normalization are far from satisfactory. Frequently, impurities are 
reported to account for 10% to 15% of the collected raw material 
[57]
, 
and, even after pretreatment, the overall quality cannot be guaranteed 
to be the same as that of the material used in laboratory studies. In 
addition, China has not developed an effective biomass storage and 
transportation system. Moreover, no criteria exist for appropriate 
collection, storage and transport equipment systems or processing and 
manufacturing practices 
[7]
. Therefore, most commercial biogas plants 
carry out the collection process based solely on the quantity of the 
appropriate biomass in the immediate neighboring environment. 
Adequate scheduling and rigorous control in terms of the quality of the 
feedstock are not applied, indirectly resulting in unexpected substrate 
addition and large fluctuation in the OLR, increasing the risk of organic 
overload. 
In conclusion, the development of highly efficient bioreactors and 
improvement or modification of the AD process can increase the OLR 
while reducing operational costs. Furthermore, raising public awareness 
regarding source separation, formulation of a standardized collection 
and transportation scheme, construction of supporting facilities and 
further strengthening of process monitoring practices would also be 
helpful from the perspective of operational management of anaerobic 
digesters. Improvements in the technical application and operational 
management practices of commercial biogas plants could allow such 
plants to achieve an operational OLR similar to that which may be ob-
tained at the laboratory level. 
3.3. Feeding frequency selection 
As indicated above, the OLR is normally expressed in days; however, 
the frequency of feeding within the day can also affect the stability of the 
AD process 
[71]
. Frequent feeding, for several hours per day, is usually 
recommended, because in common practice it is believed that it can ease 
the effects of sudden organic loading shock and help maintain process 
stability. As reported by Lv et al. 
[72]
, although the daily biogas pro-
duction under different feeding frequencies was similar, the overall level 
of VFAs and pH remained more constant and moderate in reactors that 
were fed more frequently. Similar findings were obtained using a CSTR 
treating FW and waste-activated sludge with a feeding frequency of once 
every 15 min. The instantaneous loading shock caused by the feeding 
procedure was accordingly weakened, and stable performance was 
achieved at an OLR of 11.2 g VS⋅L
-1
⋅
d
-1 
(HRT = 7.5 d) and 30.2 g VS⋅L
- 
1
⋅
d
-1 
(HRT = 3 d) under mesophilic and thermophilic conditions, 
respectively 
[73]
. Although frequent feeding can inevitably increase the 
cost of pumping, it is generally the preferred practice. In addition, 
feeding once per hour and continuous feeding have also been reported 
during the conventional operation of commercial full-scale biogas plants 
[41]
. According to a practical experience, one waste-based biogas plant 
managed to find a sustainable solution to foaming problems by adjusting 
the feeding frequency to one dosage every 20 min 
[39]
. 
Frequent feeding is highly dependent on automatic feeding proced-
ures, the exact dosage of the total input, and successful pumping. In 
other words, regular checks and maintenance of related equipment are 
essential to avoid malfunction events. However, farm-scale biogas plants 
located in rural areas may find automatic operation and accurate control 
of feeding to be difficult to achieve, because such plants usually have 
smaller budgets and cannot afford the extra expense of acquiring the 
necessary technical instruments and skilled personnel resources 
[16]
. 
Therefore, infrequent feeding with a long feeding interval of several 
days or even weeks may provide an alternative option for these farm- 
scale plants and such practices have attracted increasing attention in 
recent years. 
Infrequent feeding usually means that a higher biogas yield can be 
achieved immediately following feeding, with a lower biogas yield 
during the non-feeding period. In addition to a reduced need for sub-
sequent biogas storage 
[74]
, infrequent feeding allows more operational 
flexibility in the regulation of the final production capability according 
to variations in multiple objective factors such as climate conditions, 
biomass resources, local socio-economic status and the energy demand 
of different regions during different periods 
[75,76]
. Most research 
focusing on the infrequent feeding strategy suggests that a moderate 
feeding frequency does not affect the activity of methanogens. In the 
case reported by Zealand et al. 
[77] 
and Manser et al. 
[76]
, AD systems 
that were fed less frequently had a higher tolerance against organic 
overload, and higher specific methane production (SMP) was achieved 
due to the considerable periods between feedings, allowing further 
degradation of the slowly degradable fraction contained in the substrate. 
The results of Zealand et al. 
[77] 
also demonstrate that infrequent 
feeding may be beneficial for farm-scale reactors by allowing them to 
synchronize activity with the crop (such as rice straw) harvest produc-
tion cycles of rural areas. However, infrequent feeding is associated with 
increased risk of instability, because the entrance of a large feeding 
volume typically leads to a sudden loading shock to the AD system. 
Transient accumulation of VFAs and H
2
, as well as a decrease in pH, 
were observed after feeding in almost all experimental groups with 
different feeding frequencies, indicating an imbalance between acid 
production and consumption at this stage. A subsequent reduction in 
VFAs to a normal level prior to the next feeding was observed in reactors 
with a moderate feeding frequency, while performance was decreased in 
reactors with a relatively extreme feeding frequency. Under the same 
OLR of 2 g VS⋅L
-1
⋅
d
-1
, SMP were decreased significantly in reactors fed 
once every 14 days. For reactors fed once every 21 days, total process 
failure occurred almost immediately after feeding. 
Although infrequent feeding simplifies the feeding procedure and 
facilitates subsequent implementation of quantitation and control pro-
cedures, the optimization and applicability of such feeding strategies 
depend on the OLR and, most importantly, the dosage of each feeding. 
Biochemical methane potential (BMP) testing is therefore recommended 
to determine the maximum single dosage that exceeds the critical value 
for organic overload.