Demand-oriented biogas production and biogas storage in digestate by flexibly feeding a full-scale biogas plant

Table 2 
Detailed scheme of the trail weeks D to H (high viscosity) and L to P (low vis-
cosity). A feeding to maintain a consistent methane production of 800 m
3 
d
−
1 
was attempted which resulted in the indicated dosages. At the seventh day of the 
week, the digestate viscosity was measured and afterwards the mixing time was 
adjusted to the next set-up.
Trial 
Week 
Day 
Targeted 
Wheat Grist 
Addition/ kg 
Targeted Maize 
Silage 
Addition/ kg 
Mixing Time 
Adjustment 
Viscosity 
Measurement 
1 
2500
2 
2500
3 
2500
4
6500
5
6500
6
6500
7
6500 
x 
x
B. Ohnmacht et al.

---

Bioresource Technology 332 (2021) 125099
5
original fill level, is then identical to the volume fraction of assimilated 
biogas in the digestate. Another technique would be to measure the 
decrease of the liquid phase density due to the biogas assimilation. The 
relative decrease of the density, related to the original density, is then 
identical to the volume fraction of assimilated biogas in the digestate. In 
both cases, however, a precise and reliable measurement technology is 
not yet available for the conditions in a full scale biogas reactor. 
Moreover, the change in height or density due to biogas assimilation was 
theoretically in the order of 10
−
1
% in our experiments and, therefore, 
very susceptible for measurement errors and disturbances. 
Another possible indirect measurement is to detect and balance the 
biogas flow at the outlet of the digester. At times when the biogas is 
assimilated (e.g. when the stirrers are off), a decrease of the outlet gas 
flow can be observed. Analogously, when biogas is set free out of the 
digestate (e.g. during stirring), the outlet gas flow increases. This 
approach is only valid when the total volume of the digester and the 
pressure of the headspace can assumed to be constant. Particularly, this 
approach is not feasible in digesters with integrated gas storage 
membranes. 
Respectively the stored and free-set biogas can be estimated from the 
difference between the currently measured outflow and the biogas 
production rate (see also 
Fig. 2
). As mentioned before, the stirrers are 
commonly operated in on–off-intervals. The average biogas production 
rate in a certain interval I, ˙V
I
N,prod
, can be expressed by time-averaging 
the measured biogas outflow ˙V
I
N,out
(
t) for the time of one mixing inter-
val, Δt, assuming quasi-stationarity. By doing so, the biogas storing and 
releasing are evened out: 
˙
V
I
N,prod
=
1
Δt
∫
Δt
˙
V
N
I
out
(
t
)
dt
(10) 
Subsequently, the current biogas production rate in I, ˙V
I
N,prod
(
t), can 
be lineraly approximated: 
˙
V
I
N,prod
⎛
⎜
⎝
t
⎞
⎟
⎠ = ˙
V
I
N,prod
+
˙
V
I+1
N,prod
−
˙
V
I
N,prod
2
+
˙
V
I+1
N,prod
−
˙
V
I
N,prod
Δt
t
(11)
where I +1 stands for the next intervall. The stored biogas in I in the 
digester (digestate plus headspace), V
I,digester
N,stored
, can be calculated by: 
V
I,digester
N,stored
=
∫
Δt
off
˙
V
I
N,out
(
t
)
− ˙
V
I
N,prod
(
t
)
dt
(12)
where Δt
off 
is the period when the stirrers are off. Eventually, the stored 
biogas in the digestate V
digestate
N,stored 
in I can be estimated by: 
V
I,digestate
N,stored
≈
V
I,digester
N,stored
∊(
h
*
)
(13) 
In order to investigate the biogas storage in the digestate quantita-
tively, temporally highly resolved volume flow measurements were 
used. The volume flow was measured every second and averaged af-
terwards to 15-s intervals. 
2.8. Methane Yield 
The specific methane yield Y
CH
4
, which describes in this case the 
formed methane amount V
N,CH
4 
related to the introduced organic dry 
matter mass m
oDM
, can be estimated by: 
Y
CH
4
=
V
N,CH
4
m
oDM
(14) 
Obviously, higher values of Y
CH
4 
indicate a more effective utilization 
of the added substrates and are, therefore, targeted. Low values point to 
some kind of disturbance e.g. initially caused by insufficient mixing.