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

3. Correlation between operational parameters and digester 
performance 
3.1. Feeding strategy 
In recent years, the volume of research in the area of AD has 
increased substantially, with studies proving successful in exploiting a 
variety of types of organic material, typically municipal and industrial 
waste, agricultural waste, and energy crops, for energy production 
[42,43]
. As shown in 
Table 2
, for the majority of full-scale biogas plants 
that have been exposed to process disturbances, such disturbances are 
directly related to changes in the type and biochemical composition of 
the feedstock. 
3.1.1. Fluctuation in the type of feedstock 
In order to meet the requirements of local markets, increase process 
capacity and meet the surplus needs of the AD system, different types of 
organic material from various sources are passively or proactively ac-
quired and commonly mixed to maximize biogas production 
[44]
. In 
Denmark, the concept of co-digestion has led to the construction of 20 
centralized biogas plants and 60 farm-scale plants, which typically treat 
70–80% slurry manure together with 20–30% industrial organic waste 
of various types 
[37,38]
. Germany is an undisputed leader in the 
application of on-farm AD systems, with more than 4,000 operating 
Table 2 (continued) 
Country 
Operational information 
Performance of instability 
Cause of instability 
Countermeasures 
and results 
Reference 
reproduced quicker and produced more 
proteins and polysaccharides (mucilage), 
which promoted foam formation once 
released after cell death 
reduced by reducing the amount 
of groats to 0.25% (W/W) of the 
total feedstock 
Germany 
(Full- 
scale) 
Mesophilic conditions 
Four reactors (8,000 m
3 
each) 
operating in line-forming cascades 
Agitation: recirculation 
Feeding substrate: primary and surplus 
sludge 
OLR: 2.5–3 kg VS⋅m
−
3
⋅
d
-1 
HRT: 20 d 
Foam formation in Reactor 
3 
concentration of VFA 
17% higher than the others 
Slight accumulation of 
ammonium-nitrogen in the 
foam fraction 
Reactor 3 additionally loaded with a high 
proportion of fat, oil, and grease 
– 
[13,40] 
Germany 
(Full- 
scale) 
Feeding cycle: once per hour 
Feeding substrates: cattle manure (30 
m
3
⋅
d
-1
), sugar beet (8 t⋅d
-1
), corn silage 
(6 t⋅d
-1
), grass silage (1 t⋅d
-1
), rest feed 
(2 t⋅d
-1
), and coarse wheat (1.5 t⋅d
-1
) 
Temporary foaming 
incident 
Significantly higher 
acetate, propionate, and 
ammonium-nitrogen 
concentrations and a lower 
pH 
Seasonally added sugar contains easily 
digestible sucrose, which led to 
overloading; its particle size enhanced 
the formation of foam 
Poor mixing 
Added anti-foaming agents, plant 
oils, and acetate 
Prolonged the stirring cycle 
[41] 
Germany 
(Full- 
scale) 
Mesophilic conditions, two-stage with 
two hydrolysis digesters and two main 
digesters 
Agitation: continuous stirring with two 
paddles 
Feeding substrates: swine and cattle 
manure (50,000 t⋅a
-1
) and biogenic 
industrial waste (30,000 t⋅a
-1
) 
OLR: 2–2.5 kg VS⋅m
−
3
⋅
d
-1 
HRT: 25 d 
Slightly higher calcium, 
phosphorous, and sulfur 
concentrations 
Occurrence of foaming 
An abrupt temperature increase caused 
higher mortality of microbial cells 
Enhanced addition of cooking oil 
contributed to foam stabilization