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

3.5. Hydraulic retention time quantitation 
The HRT is the mean digestion time that the added feedstock remains 
in the reactor. The utilization of a longer retention time reduces the 
remaining biogas potential in the residue storage tank and increases the 
conversion rate of feedstock 
[66]
. The configuration of HRT mainly 
depends on the overall reaction rates 
[79]
. For example, AD conducted 
under thermophilic conditions or with a high concentration of active 
inoculum can be configured with a shorter HRT, while a longer HRT is 
essential for AD conducted at lower temperatures and lower levels of 
microorganism activity. Therefore, common recommended values for 
the HRT under thermophilic and mesophilic conditions are approxi-
mately 10–20 and 15–30 days, respectively. 
Currently, at the industrial level, the HRT is typically set to be 
relatively long. For instance, many reported middle-scale commercial 
biogas plants in Germany that treat agricultural waste usually have a 
HRT longer than 50 days 
[31]
. Another investigation showed that the 
HRT at full-scale biogas plants ranged from 41 days to 144 days, with an 
average value of 84.1 days 
[66]
. The use of a relatively long HRT can 
mitigate process instability to a certain degree, but the initial capital cost 
is significantly increased by the large investment required to build high- 
volume digesters. 
In contrast, to maximize treatment capacity and reduce reactor 
volume, some plant operators manually lower the HRT, but the risk of 
hydraulic overload is increased accordingly 
[30]
. A decrease in HRT 
may not provide sufficient time for the multiplication of anaerobic mi-
croorganisms, and the discharging procedure may also cause “wash out” 
of microorganisms and smaller aggregates through the discharging 
procedure, eventually resulting in VFA accumulation in a manner 
similar to organic overload 
[70]
. On the other hand, a lower HRT and a 
higher operational OLR are directly connected to large losses in methane 
yield potential. 
At present, most existing biogas plants can easily achieve quantita-
tion and recording of solid feedstock, but for liquid-rich substrates, such 
as FW and manure, or the liquid necessary for the dilution process, 
quantitation is rare. Germany has been the driving force for biogas 
development for many years and remains the leading country in terms of 
the number of operational biogas plants 
[88]
. However, an investigation 
of 413 German biogas plants showed that only one third measured the 
input of liquid volume contained in the feedstock 
[31]
. 
Given that most feedstock currently used in biogas plants is high 
strength organic waste (e.g., FW, agricultural waste, and manure) with a 
high total solid (TS) content, dilution is necessary to avoid potential 
stirring problems, mitigate pumping pressure, and maintain a TS content 
suitable for wet AD systems, which represent the majority of existing 
biogas production facilities 
[89]
. For example, if fibrous feedstock such 
as energy crops are involved, dilution with fresh water, digestate, liquid 
feedstock, or process water obtained from the digestate after solid-
–
liquid separation is commonly performed. The presence of a high vol-
ume of liquid in feedstock can lower its retention time 
[31]
. When no 
D. Wu et al.

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Fuel 303 (2021) 121282
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rapid and accurate quantitation of liquid input to digesters is conducted 
at biogas plants, the actual retention time remains unknown. Conse-
quently, it is not surprising that hydraulic overload occurs frequently 
during the optimization and long-term operation of anaerobic digesters. 
In terms of field applications, although online measurement in-
frastructures are unavailable at most full-scale biogas plants, alternative 
methods can be useful to quantitate liquids, such as the application of 
flow and level meters to measure the quantity of liquid feedstock and 
record storage tank levels and pumping times 
[31,36]
. From the 
perspective of the applicability of measurement with regard to technical 
viability and maintenance of operational costs within an acceptable 
range, the cost and time required to achieve online/in-situ quantitation 
and monitoring are no longer prohibitive, and greater emphasis on such 
practices is urgently needed.