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

D. Wu et al.

---

Fuel 303 (2021) 121282
13
[27]
Zhang J, Mao L, Nithya K, Loh K-C, Dai Y, He Y, et al. Optimizing mixing strategy 
to improve the performance of an anaerobic digestion waste-to-energy system for 
energy recovery from food waste. Appl Energy 2019;249:28–36
. 
[28]
Aghbashlo M, Tabatabaei M, Soltanian S, Ghanavati H, Dadak A. Comprehensive 
exergoeconomic analysis of a municipal solid waste digestion plant equipped with 
a biogas genset. Waste Manag 2019;87:485–98
. 
[29]
Barati MR, Aghbashlo M, Ghanavati H, Tabatabaei M, Sharifi M, Javadirad G, et al. 
Comprehensive exergy analysis of a gas engine-equipped anaerobic digestion plant 
producing electricity and biofertilizer from organic fraction of municipal solid 
waste. Energy Convers Manage 2017;151:753–63
. 
[30]
Ferrer I, V´azquez F, Font X. Long term operation of a thermophilic anaerobic 
reactor: process stability and efficiency at decreasing sludge retention time. 
Bioresour Technol 2010;101(9):2972–80
. 
[31] Drosg B. Process monitoring in biogas plants. IEA bioenergy; 2013. Available from: 
http://www.rohkraft.net/wpcontent/uploads/2014/03/20140319_DROSG_ pro 
cess_montoring_RZ_web1.pdf. [Accessed May 2015]. 
[32]
Li L, He Q, Wei Y, He Q, Peng X. Early warning indicators for monitoring the 
process failure of anaerobic digestion system of food waste. Bioresour Technol 
2014;171:491–4
. 
[33]
Wu C, Wang Q, Yu M, Zhang X, Song Na, Chang Q, et al. Effect of ethanol pre- 
fermentation and inoculum-to-substrate ratio on methane yield from food waste 
and distillers’ grains. Appl Energy 2015;155:846–53
. 
[34] Labatut RA, Gooch CA. Monitoring of Anaerobic Digestion Process to Optimize 
Performanceand Prevent System Failure. Sitc Research Briefs 2014;2015(No. 9). 
[35]
Kleyb¨ocker A, Lienen T, Liebrich M, Kasina M, Kraume M, Würdemann H. 
Application of an early warning indicator and CaO to maximize the time-space- 
yield of an completely mixed waste digester using rape seed oil as co-substrate. 
Waste Manag 2014;34(3):661–8
. 
[36]
Wiese J, Haeck M. Instrumentation, control and automation for full-scale manure- 
based biogas systems. Water Sci Technol 2006;54(9):1–8
. 
[37]
Ellegaard L, Boe K, Angelidaki I. Effect of operating conditions and reactor 
configuration on efficiency of full-scale biogas plants. Water Sci Technol 2005;52 
(1–2):189–94
. 
[38]
Nielsen HB, Angelidaki I. Strategies for optimizing recovery of the biogas process 
following ammonia inhibition. Bioresour Technol 2008;99(17):7995–8001
. 
[39]
Moeller L, G¨orsch K, Müller RA, Zehnsdorf AE. Formation and supression of foam 
in biogas plants - practical experiences. Landtechnik 2012;67(2):110–3
. 
[40]
Lienen T, Kleyb¨ocker A, Verstraete W, Würdemann H. Foam formation in a 
downstream digester of a cascade running full-scale biogas plant: Influence of fat, 
oil and grease addition and abundance of the filamentous bacterium Microthrix 
parvicella. Bioresour Technol 2014;153:1–7
. 
[41]
Moeller L, Lehnig M, Schenk J, Zehnsdorf A. Foam formation in biogas plants 
caused by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresour Technol 2015;178:270–7
. 
[42]
Hagos K, Zong J, Li D, Liu C, Lu X. Anaerobic co-digestion process for biogas 
production: Progress, challenges and perspectives. Renew Sustain Energy Rev 
2017;76:1485–96
. 
[43]
Mata-Alvarez J, Dosta J, Romero-Güiza MS, Fonoll X, Peces M, Astals S. A critical 
review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013. Renew 
Sustain Energy Rev 2014;36:412–27
. 
[44]
De Francisci D, Kougias PG, Treu L, Campanaro S, Angelidaki I. Microbial diversity 
and dynamicity of biogas reactors due to radical changes of feedstock composition. 
Bioresour Technol 2015;176:56–64
. 
[45]
Wilkinson KG. A comparison of the drivers influencing adoption of on-farm 
anaerobic digestion in Germany and Australia. Biomass Bioenergy 2011;35(5): 
1613–22
. 
[46] Gu J, Liu R, Cheng Yi, Stanisavljevic N, Li L, Djatkov D, et al. Anaerobic co- 
digestion of food waste and sewage sludge under mesophilic and thermophilic 
conditions: Focusing on synergistic effects on methane production. Bioresour 
Technol 2020;301:122765. 
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122765
. 
[47] Yang P, Peng Y, Tan H, Liu H, Wu Di, Wang X, et al. Foaming mechanisms and 
control strategies during the anaerobic digestion of organic waste: A critical 
review. Sci Total Environ 2021;779:146531. 
https://doi.org/10.1016/j. 
scitotenv.2021.146531
. 
[48]
Chapman T, Krugel S. Rapid Volume Expansion – an Investigation into Digester 
Overflows and Safety. Proceedings of the Water Environment Federation 2011; 
2011(4):1016–40
. 
[49]
Zhang W, Lang Q, Fang M, Li X, Bah H, Dong H, et al. Combined effect of crude fat 
content and initial substrate concentration on batch anaerobic digestion 
characteristics of food waste. Bioresour Technol 2017;232:304–12
. 
[50]
Peng X, Zhang S, Li L, Zhao X, Ma Y, Shi D. Long-term high-solids anaerobic 
digestion of food waste: Effects of ammonia on process performance and microbial 
community. Bioresour Technol 2018;262:148–58
. 
[51]
Rajagopal R, Mass´e DI, Singh G. A critical review on inhibition of anaerobic 
digestion process by excess ammonia. Bioresour Technol 2013;143:632–41
. 
[52]
Wu Di, Li L, Zhao X, Peng Y, Yang P, Peng X. Anaerobic digestion: A review on 
process monitoring. Renew Sustain Energy Rev 2019;103:1–12
. 
[53]
Chen JL, Ortiz R, Steele TWJ, Stuckey DC. Toxicants inhibiting anaerobic 
digestion: a review. Biotechnol Adv 2014;32(8):1523–34
. 
[54]
Hadin Å, Eriksson O. Horse manure as feedstock for anaerobic digestion. Waste 
Manag 2016;56:506–18
. 
[55]
Sawatdeenarunat C, Surendra KC, Takara D, Oechsner H, Khanal SK. Anaerobic 
digestion of lignocellulosic biomass: challenges and opportunities. Bioresour 
Technol 2015;178:178–86
. 
[56]
ZHANG R, ELMASHAD H, HARTMAN K, WANG F, LIU G, CHOATE C, et al. 
Characterization of food waste as feedstock for anaerobic digestion. Bioresour 
Technol 2007;98(4):929–35
. 
[57]
Li Y, Jin Y, Borrion A, Li H. Current status of food waste generation and 
management in China. Bioresour Technol 2019;273:654–65
. 
[58]
Algapani DE, Wang J, Qiao W, Su M, Goglio A, Wandera SM, et al. Improving 
methane production and anaerobic digestion stability of food waste by extracting 
lipids and mixing it with sewage sludge. Bioresour Technol 2017;244:996–1005
. 
[59] Su H, Zhou X, Zheng R, Zhou Z, Zhang Y, Zhu G, et al. Hydrothermal carbonization 
of food waste after oil extraction pre-treatment: Study on hydrochar fuel 
characteristics, combustion behavior, and removal behavior of sodium and 
potassium. Sci Total Environ 2021;754:142192. 
https://doi.org/10.1016/j. 
scitotenv.2020.142192
. 
[60]
Fu-Chen B, Xiao-Xin S, Xin L, Mei-Ran LI. Introduction to a food waste treatment 
project with automatic sorting, solid-liquid separation, and oil-water separation 
process. Environ Eng 2016;34:145–8
. 
[61] Yao Y, Huang G, An C, Chen X, Zhang P, Xin X, et al. Anaerobic digestion of 
livestock manure in cold regions: Technological advancements and global impacts. 
Renew Sustain Energy Rev 2020;119:109494. 
https://doi.org/10.1016/j. 
rser.2019.109494
. 
[62]
Xiao B, Sun XF, Sun R. Chemical, structural, and thermal characterizations of 
alkali-soluble lignins and hemicelluloses, and cellulose from maize stems, rye 
straw, and rice straw. Polym Degrad Stab 2001;74(2):307–19
. 
[63] Lee J, Park KY. Impact of hydrothermal pretreatment on anaerobic digestion 
efficiency for lignocellulosic biomass: Influence of pretreatment temperature on 
the formation of biomass-degrading byproducts. Chemosphere 2020;256:127116. 
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127116
. 
[64]
Li L, He Q, Ma Y, Wang X, Peng X. Dynamics of microbial community in a 
mesophilic anaerobic digester treating food waste: Relationship between 
community structure and process stability. Bioresour Technol 2015;189:113–20
. 
[65]
Bauer A, Mayr H, Hopfner-Sixt K, Amon T. Detailed monitoring of two biogas 
plants and mechanical solid-liquid separation of fermentation residues. 
J Biotechnol 2009;142(1):56–63
. 
[66]
Matthias S. Ecological and Economic Optimisation of Biogas Plants. Master: De 
Montfort University; 2012
. 
[67]
Zhang W, Wu S, Guo J, Zhou J, Dong R. Performance and kinetic evaluation of 
semi-continuously fed anaerobic digesters treating food waste: role of trace 
elements. Bioresour Technol 2015;178:297–305
. 
[68]
Nagao N, Tajima N, Kawai M, Niwa C, Kurosawa N, Matsuyama T, et al. Maximum 
organic loading rate for the single-stage wet anaerobic digestion of food waste. 
Bioresour Technol 2012;118:210–8
. 
[69]
Li D, Ran Yi, Chen L, Cao Q, Li Z, Liu X. Instability diagnosis and syntrophic acetate 
oxidation during thermophilic digestion of vegetable waste. Water Res 2018;139: 
263–71
. 
[70]
Ketheesan B, Stuckey DC. Effects of Hydraulic/Organic Shock/Transient Loads in 
Anaerobic Wastewater Treatment: A Review. Crit Rev Environ Sci Technol 2015;45 
(24):2693–727
. 
[71]
Bombardiere J, Espinosa-Solares T, Domaschko M, Chatfield M. Thermophilic 
anaerobic digester performance under different feed-loading frequency. Appl 
Biochem Biotechnol 2007;137-140(1-12):765–75
. 
[72]
Lv Z, Leite AF, Harms H, Richnow HH, Liebetrau J, Nikolausz M. Influences of the 
substrate feeding regime on methanogenic activity in biogas reactors approached 
by molecular and stable isotope methods. Anaerobe 2014;29:91–9
. 
[73]
Li Q, Li H, Wang G, Wang X. Effects of loading rate and temperature on anaerobic 
co-digestion of food waste and waste activated sludge in a high frequency feeding 
system, looking in particular at stability and efficiency. Bioresour Technol 2017; 
237:231–9
. 
[74]
Mauky E, Jacobi HF, Liebetrau J, Nelles M. Flexible biogas production for demand- 
driven energy supply–feeding strategies and types of substrates. Bioresour Technol 
2015;178:262–9
. 
[75]
Mulat DG, Jacobi HF, Feilberg A, Adamsen APS, Richnow H-H, Nikolausz M, et al. 
Changing Feeding Regimes To Demonstrate Flexible Biogas Production: Effects on 
Process Performance, Microbial Community Structure, and Methanogenesis 
Pathways. Appl Environ Microbiol 2016;82(2):438–49
. 
[76]
Manser ND, Mihelcic JR, Ergas SJ. Semi-continuous mesophilic anaerobic digester 
performance under variations in solids retention time and feeding frequency. 
Bioresour Technol 2015;190:359–66
. 
[77]
Zealand AM, Roskilly AP, Graham DW. Effect of feeding frequency and organic 
loading rate on biomethane production in the anaerobic digestion of rice straw. 
Appl Energy 2017;207:156–65
. 
[78]
Angelidaki I, Ahring BK. Anaerobic thermophilic digestion of manure at different 
ammonia loads: Effect of temperature. Water Res 1994;28(3):727–31
. 
[79] Srisowmeya G, Chakravarthy M, Nandhini Devi G. Critical considerations in two- 
stage anaerobic digestion of food waste – A review. Renew Sustain Energy Rev 
2020;119:109587. 
https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109587
. 
[80]
Cavinato C, Fatone F, Bolzonella D, Pavan P. Thermophilic anaerobic co-digestion 
of cattle manure with agro-wastes and energy crops: comparison of pilot and full 
scale experiences. Bioresour Technol 2010;101(2):545–50
. 
[81]
Weiland P. Biogas production: current state and perspectives. Appl Microbiol 
Biotechnol 2010;85(4):849–60
. 
[82] Kovalovszki A, Treu L, Ellegaard L, Luo G, Angelidaki I. Modeling temperature 
response in bioenergy production: Novel solution to a common challenge of 
anaerobic digestion. Appl Energy 2020;263:114646. 
https://doi.org/10.1016/j. 
apenergy.2020.114646
. 
[83]
Holm-Nielsen JB, Oleskowicz-Popiel P. Process control in biogas plants. Biogas 
Handbook 2013:228–47
. 
[84] de Diego-Díaz B, Pe˜nas FJ, Fern´andez- Rodríguez J. Sustainable management of 
lignocellulosic wastes: Temperature strategies for anaerobic digestion of artichoke. 
J Cleaner Prod 2021;280:124479. 
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124479
.