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

Table 2 
Summary of instability cases in medium- and large-scale biogas plants 
[10–13,34,37–41]
.
Country 
Operational information 
Performance of instability 
Cause of instability 
Countermeasures 
and results 
Reference 
Denmark 
(Full- 
scale) 
Farsoe biogas plant 
Feeding substrate: mink manure 
Extremely high 
concentrations of VFAs
a 
Mink manure was rich in ammonia (＞ 
10 g N⋅L
-1
) 
Decreased the loading rate and 
dilution 
The process did not recover 
[37] 
Snertinge biogas plant 
Dramatic increase in VFAs 
was observed in reactors 
RII and RIII 
Heavily increased loading occurred in 
reactors RII and RIII since they were 
available for feeding, while reactor RI 
was closed down for modification from 
mesophilic to thermophilic operation 
The reactors were eventually 
emptied and re-inoculated 
Hashøj biogas plant 
High and fluctuating VFA 
levels 
High hydraulic loading 
– 
Blaabjerg biogas plant 
Relatively high VFA levels 
Addition of a particular organic waste 
product from the medical industry with a 
high protein and sulfur content 
Terminated the input of organic 
waste from the medical industry 
VFA concentration dropped to a 
much lower level 
Denmark 
(Full- 
scale) 
Reactor capacity of 7600 m
3 
and 3 
reactors in total 
Thermophilic condition: 53℃ 
HRT
b
: 17–18 d 
Feeding substrate: manure (362 t⋅d
-1
) 
and organic industrial waste (75 t⋅d
-1
) 
Sudden sharp increase in 
ammonia and VFA 
concentrations 
Decrease in biogas 
production of 
approximately 32% 
Organic industrial waste consisted of 
blood from pigs with a high 
biodegradability and a low C/N
c 
ratio, 
increasing the OLR and causing ammonia 
accumulation 
Removed the blood from the 
feedstock 
Biogas production recovered after 
approximately 2 weeks 
[11] 
Mesophilic conditions 
Severe accumulation of 
LCFAs
d 
Addition of tall oil at 6 g⋅L
-1 
increased the 
OLR
e 
and had an acute toxic effect on the 
process 
Emptied the reactor and re- 
inoculated with digested biomass 
– 
Frequent foaming 
Loss of 32% biogas 
production 
Inexpedient mixing of different waste 
types led to CO
2
-stripping, but the reason 
for foaming inside the reactor remains 
unknown 
Constructed more pre-storage 
tanks 
Foaming inside the reactors ended 
suddenly 
Denmark 
(Full- 
scale) 
Reactor capacity of 7600 m
3 
and 3 
reactors in total 
Thermophilic conditions: 53℃ 
HRT:17–18 d 
Feeding substrate: manure (362 t⋅d
-1
) 
and organic industrial waste (75 t⋅d
-1
) 
Significant increase in VFA 
and ammonia 
concentrations 
Decrease in biogas 
production 
Occurrence of foaming 
Addition of waste from a mink farm rich 
in ammonia. No analysis of the waste was 
performed by the plant 
Terminated the input of mink farm 
waste immediately and replaced it 
with fresh manure, while 
continuing to feed with industrial 
waste. 
The ammonia concentration 
gradually decreased through 
effluent wash out 
[38] 
Denmark 
(Full- 
scale) 
Thermophilic temperature: 52℃. 
Primary reactors: PR1, PR2, and PR3 
under the same HRT of 23 d 
Second-stage reactor: SR 
Feeding substrate: manures (75%) and 
industrial waste (25%) for PRs and 
effluent from the PRs for the SR 
Excessive foaming in PR3 
with a maximum foam 
formation of 
approximately 1,065 m
3
⋅
d
- 
1 
Addition of acidic industrial waste 
(containing acidic whey) feed mixture 
and a large amount of chicken manure 
rich in protein content 
Low-mixing speed in PR3 
– 
[12] 
USA 
(Farm- 
scale) 
Hybrid between a PFR
f 
and a CSTR
g 
Feeding substrate: manure (produced 
by approximately 3,000 cows⋅w
-1
) and 
cheese whey (35,000 Gal⋅w
-1
) 
VFA concentration was 9- 
times that of the baseline 
Decrease in biogas 
production of 70% 
One pump located in the influent pit was 
out of service for 2 weeks, making the 
influent material highly inconsistent and 
stratified 
Almost twice the volume of cheese whey 
was received for co-digestion and the 
corn silage was also doubled 
– 
[34] 
Three on-farm co-digestion plants 
Decrease in biogas 
production 
Addition of thick stillage, a by-product of 
the ethanol distillation process 
– 
Germany 
(Full- 
scale) 
– 
Formation of foam with 
small-sized bubbles 
Changed the feedstock to slaughterhouse 
waste; thus, the contained proteins were 
denatured through prior hygienization, 
and partly or completely hydrolyzed, 
leading to protein enrichment on the 
surface and stabilization of the foam 
– 
[39] 
A reported wastewater treatment plant 
Feeding substrate: contents of grease 
separators 
Foam formation inside the 
biogas reactor 
Substrates contained active surface 
agents, which led to a 
reduction in the surface tension of the 
biogas reactor contents, such that the 
produced biogas could not escape and 
was encapsulated in the form of bubbles 
on the surface of the liquid 
– 
Feeding substrate: waste from a paper 
mill 
Formation of foam with 
large bubbles 
Very high viscosity and a dry matter 
fraction of approximately 15% 
– 
A biogas plant in Saxony − Anhalt 
Feeding substrate: corn cob mix silage 
Foam formation 
Maize kernels contain a large amount of 
starch, which increased the viscosity of 
the biogas reactor contents 
– 
Feeding substrate: liquid manure and 
maize 
Persistent foam layer over 
several months 
Tiny particles of the added rye groats 
offered a greater surface area for the 
microorganisms than coarsely ground 
grain; therefore, the microbes 
Added several liters of anti- 
foaming agent daily to control the 
foam layer 
Foam layer was considerably 
(continued on next page) 
D. Wu et al.

---

Fuel 303 (2021) 121282
5
are provided in the following section.