A
b s t r a c tT he w a ste Ir o
m N
o rth
Ca r ol i
n a'sla r
ge sw i
n e popul
ati
o nh
a sle
d
to th
ed
egr adatio n of
the State's ai
r a nd w
ate r qu al ity, a nd
to adv e r s e eff
e cts o nh
um
a nh
e al
th.T
h
e c u r r e ntw
a ste tr e atm
e nt te ch
n ol
o g y, ope nl
ago o n s wit
h la n
d
app l i
c ati
o n ,h
a sb
e e nb
a nned
on n ew
fa rm
s in N C si
nc e 1 9 97
.A
m m
o ni
a v olatil
iz atio nf
r om
the s e lago on s and
d
u rin
gla
nd
ap pl i
c atio n
, a sw
el l
a s r u n of f f
r om l
a nd
ap pl i
c atio n
,h
a v e o v e rwh
el m
ed
th
eSt
ate'
s e a ste r n r eg
io n
w i
th ni
tr oge n em i
s si
o n s Th
eSt
ateh
a s s o ugh
t to pr o vi d
ein c e n
ti
v e sf
o r th
ed
e v el
op
m
e nt a nd c o n str u ctio
n of
e n vir o n
m
e ntal l y
supe ri
o r te ch
nol
ogi
e s(
EST
s)
,e s
p
e ci
al l y
th
o se th
atg
en e r ate el
e ctric
i
ty f
rom
the
swin e
w
a ste.W
e op
e r ated
a pi l
ot-s c a
l
ew
a ste tr e atme nt system
to c o up
le bio
log ic al ni
tr oge n r em
o v al
(
b
yn
it
ri f
i c ati
o n / 'd
e ni
tri f
i c ati
o n)
w i
th
a n e xi
stin
gf
ul l
-s c ale
a n a e r ob ic
d i g
e stio n
syste
m
toc aptu r e
m
eth
a n e a nd
pr od
u c e e n e rg y at Bu tl
e r Fa rm
s(
Li l l i
ngto n,N C
)
. Th
e ni
tr o ge nr e
m
o v al system w
a s ab l
e to a ch
ie v e up to 9 5%
r em
o v al of N H
4 ^-N
a n
d
5 0%
r em
o v al
of
tota
l N f
r om
th
ew
a ste af
te r a n a e r ob i
cd i g
e stio n . How
e v e r, th
e sy
stem d i d
n otm
e et th
etota
l
nit
r o ge n pe rf
o rm
a n c e sta nd
a rd
of 7 5
%
N
r em
o v al f
o r a n ES T
.C
om
pl
etede n
i
tri fi
c ati
o n wa sl i m i
ted b
y the a v ai l
ab l y
ty
of b i
od
eg
r ad
ab l
e o rg
a nic
m
atte ri
n th
ee
f f l
u e ntf
r om
the a n a e r ob ic
d i
ge ste r.W
e al
s oi
n v e sti
gated
th
ep
ote ntial c o st a nd b
e n ef
itso
f
c o upl i
ng
ni
tr oge n r em
o v al w i
th
e n e rg
yp
r od
u ctio n
f
r om
sw i
n ew
a ste.A
tf
ul l
s c al
e, th
esyste
m w
o ul d
c o n si
st of
c o v e r ed
a n a e r ob i
cd i
ge ste r s, ag
e n e r ato r, a n a e r ob i
c nit
ri
fi c ati
o nr e a cto r, a
d
e ni
tri f
i c atio n
r e a cto r , a nd
a sto r ageb
a sin
f
o r th
ef
i n al
ef f lu
e nt.A
t Butle rF
a rm
s th
e tw
o e xi
stin
g co v e r ed l
ago o n s c a nb
e r etr of
it ted
to a c c om m
od
ate the pr opo s ed
in
tegr ated
system
, wi
th a 10
-ye a r a n n u al i
z ed
c o st of
$
14 8/ 10 0 0 l b
ste ad
y-state
l i
v er e n e
w
ab l
e e n e rg
y c e rti f
i c ate s, a nd
ni
tr o ge n c r ed i
tsw
e r e al
s o e sti m
ated
.In c
l
ud i
ng
th
e s eb
e n ef
its, th
e c o st of
th
e system w
o ul d b
e r ed
u c ed
to$
1 10/
1 00
0 l bSS L
W
, c om pa r ab le
toT ab l e o f Co n t ent s
Ta
b l
e of C
o nte ntsi
L
i
st of
Tab l
e si i i
L
i
st of
Fi
gu r e s vA c
k
n ow l
ed g
em
e nts vi i
1.
0
Intr od
u cti
o n1
2
.0
Ba ck
gr o u nd
4
2 1
H i
sto r>'o
f N
o rth Ca r ol i
n aSw i
n eF
ara
iL
egi
sl
ati
o n4
2.2
W
a ste Tr e atme ntM
ethod
s8
2
.3 R
el
e v a ntB i
ol
ogic a
l Pr o c e s s e s
11
3
.0
Butl
e r Fa rm O
pe r atio n a n
d
W
a steC h
a r a cte riz a
ti
o n14
3
.1
Butl
e rF
a rm
O pe rati
o n 143
.2 B
utl
e rF
a rm
W
a steC h
a racte ri
z atio n
1 64.
0 I
ntegr ated
M
eth
a n eC
apt ur e and
Bi
ol
ogic a
l N i
tr oge nR
em
o v al S
ystem
2 0
4.1 P
il
ot Sc ale O pe r ati
o n 22
4.
2 P i l
otSc a
le
R
e s ult
s a nd Pe r
f
o rm
anc e2 6
5
.0
Ful l Sc a
l
e De si
gn a nd E
xpe cted P
e rf
o rm
a n c e 32
5.1
A
n a e r ob ic
Di
ge ste r 3
2
5.2
N
itri f
i c ati
o n a nd
De nit
ri f
i c ati
o n T a nk
s 34
5.3
Sc
h
em
eA
3 5
5
.4 S
ch
em
eB
3 7
5
.5 S
ch
em
eC
3
96
.0 C
o st -B
e n e
f
itA
n al
ysi
s4 2
6.1 A s s u
m
ptio n s a n
d
Li m it
ati
o n s 42
6.2 Co sts 4 3
6
.2
.1
Lag
oonCo v e r a n
d
M
etha n e Captu r e S ystem
43
6
.2
.2
En e rg
y Pr od
u cti
o n S ystem
44
6
.2
.3 N i
tri f
i c atio n
-
D
e ni
tri f
i c ati
onS
yste
m
4 7
6
.2
.4 St
o r ag
e T ank
5 1
6
.2
.5O
pe r atio
n and
M
ai
ntena n c e52
6
.2
.6 C
o stS
um m
a ry5 3
6
.2
.7 B
utl
e rF
a rm
s -S
pe c
i f
i c Retr of
it tin
g Al
te r n ati
v e5 5
6
.3 B
e n efi
ts5 8
6
3
. 1E
n e rg
y Pr od
u cti
o n5
86
.3
.2 G
r e e nh
o u s eG
a sCr e
d i
ts6
46
.3
.3 N i
tr og
e nC
r ed i
ts6 6
6
.4C
o st-
B
e n ef
itA
nal
ys
i
s6 8
6
.5 A d d it
i
o n al B
e n ef
its 70
7.
0 C
o n cl
u si
o n s7
38
.0 F
utu r eW
o rk
7 5
9
.0 R
ef
e r e n c e s7
7A
pp
e nd i
xA
-P i lo
t-Sc a
le
R
e a cto r
O p
e r ati
o nS
um
m
a ry of E
v e nts8 6
A p p
e nd i
xB
-P i l
otSc a
l
eD
a t a8 7
A p pe n
d i
xC
-F
ul l S
c al
eN i
tri fi
c ati
o n/ D
e ni
tri f
i c ati
o nT
ank D
e si
gn -Sc
h
em
eB
9 2
A p pe nd i
xD
- Ful l
SA
p
pe nd ix
E
-P
ri
c eA d
j
u stm
e nt10
1 A p pe nd ix
F
-F
ul l Sc a
l
e Ni
tri f
i c atio n
/
D e ni
tri fi
c ati
o nT
a nk
a nd
Sto r age T a nk S i
zin
g
a nd
Co sts - Ea rthe n Co nta
in
m
e nt Str u ctu r e1
0 2A p
pe nd i
xG
-E
a rth
enC
o ntain
m
e ntS
truct ur e L inin
gC
o sts 10
7A p
pe nd ix
H
-F
ul l
Sc al
eN i
tri fi
c atio n
/
De ni
tri fi
c atio n
T
a nk S i
zin
g a nd C O ST S
-C
o n c r ete
C
o ntai
nm
e ntSt
r u ctu r e1
10
A p pe n
d ix
1- Baf fl
e D e si
gn a nd Co sts 1 13A p pe nd ix J- Ful l
-Sc ale N itri fi c atio n
/
De n itrifi
c atio n T a nk S izing a nd
Co sts - Ste el Ta nk 1 1 4A p p
e nd i
xK
-M
eth
od
toC
al
c ul
ateO
xy ge n
C
o n s um
p tio n
a nd G
a sP
r od
u ctio n
in
N i
tri fi
c atio n
T
a nk
1 18
A
p pe ndix
L
-M
eth
od
toC
al
c ula
te Ga s Pr od
u cti
o nin
the D e ni
trifi
c ati
o n Ta nk
12 7A p pe n
d i
xM
~C
alc u
l
ati
o n s of G
r e e nho u s e Ga s Cr ed it
s1
33
A
p
pe nd
ixN
-D
ef
i nit
i
o n s of
Ab b
r e vi
ati
o n s a nd
Te rm
s 13 8
L
i s t o fT
a b l e sTa
b l
e 1 -Po
te ntia
l ES T
sin v e s
ti
gate
d
im d
e r th
eSm
i
th f
i el d A
gr e em
e nt.C
o stsd i
spl
ayed
a s$
(
2 0 0 4
)
/
100 0 l b S
S LW
w
he n n o rm
ali
z ed
to a8
,80 0
-
h
e ad
fe ed
e r tofi
ni
shf
a rm
(
19
-2 1)
8T a
b l
e2
- Lago o n
l i
qui d
ch
a r a cte ri
sti
c s9 /
10 /
1 0 thr o ug h 5/
2 7/
1 1. * *17
T ab l
e3
-A
v e r age pi l
ot-s c ale
l i
qu
i d fl
ow
r ate s, v olu
m
e s, a nd fl
ow
pa r am
ete r s2
4 T ab l
e 4 - Av e r ag
e pi lo
t s c al
ep
a r am
ete rm
e a s u r em
e ntsb
etwe e n9 /
10 /2 010a nd
5/ 2 7/ 2 0 1 1
."
2 7
T ab l
e 5 -V
ol
u
m
e of l
ago o nl i
qui d
spr ayed
a nn u all
y at Butle r Fa rm ( 3
7, 49
)
32
T ab l
e 6 - Co sts of
En e rg y Pr o
d
u ctio n
S
ystem
(
3 7, 5 1)
45
T a
b l
e 7 -C
o st e sti m
atef
o rf
ou rN /
D ta nk
c o n str u cti
o n alt
e r n ati
v e s(
2 0 1 1d
oll
a r s)
48
T ab
le 8 -C
o st e st
i m
atef
o rfu
l l
s c al
e sto r age ta nk
al
te r n ativ e s 5 1 T ab l
e9
- Dai l
y po
w
e rd
em
a nds a nd
e n e rg y c o sts of
af
ull
s c ale
m
eth
a n e c aptu r ean
d
nit
r oge n r edu c
tio n
system
atB
utl
e rF
a rm
s 5 2T a
b l
e 10 - Est
i m
ated
a n n u al m
ai
nte n a n c e c o stsf
o r afo
i l
s c al
em
etha n e c aptu r ean
d
ni
tr og
e n r em
o v al
sy
stem
onB
utl
e rF
a rm
s5 3
T
ab l
e1 1
-C
o st o
f f
ul l
s c ale c o
m b i
n ed m
etha n e c aptu r e a nd
nitr o ge n r em
o v al
syste
m
atB
utle r
F
a rm
s.Re
p
o rted
a n n u al i
z ed
c o sts a s s um
e an8
%
in
te r e str ate 5 4
T
ab l
e 12 - Th
e e
f f
e ct of
e c o n om ic
l i f
e a nd i
nte r e st r ate o n th
e a n n u al i
z ed
c o st of
afo
i l
s c al
em
eth
a n e c aptu r e a nd
ni
tr oge n r em
o v al
system
5 4
Tab l
e 13-C
o st of B
utle r Fa rm
s r etr ofi
t ted f
ul l
s c al
em
eth
a n e c ap tu r e a n
d
n
it
r oge n r em
o v al
system
. Repo rted
c o sts a s s um
e a n8%
i
nte r e st r ate5 7
Tab
le 14 - Th
e e
f fe c
t of
e c o n om
icl i f
e a nd i
nte r e st r ate o n th
e a n n u al i
z ed
c o st of
ar etr o
f
it ted f
ul
l s c ale
m
eth
a n e c apt ur e a nd
nit
r oge n r em
o v al
system
atButle r Fa r
m
s 5 7Ta
b l
e 15 -A
v e r ag
em
o nth l
yb i
oga s pr od
u cti
o nJu
l
y2 0 0 8
thr o ugh D
e c em b
e r2 0 10
'
. .
'
5 9
Ta
b l
e 16 -G
a s c om
po s
it
io n
atB
utle r
F
an n s a sm
e a s u r ed b
yT h
e Ani m
al
a nd
P
o ul
t n,'
W
a ste
M
a n agem
e ntC
e nte r,M
y 20
10
(
41
)
6 0
Ta
b l
e17
-C
u r r e n t a n
d
pr oj
e cted
a nnu al
ele ctr icit
y c o n s um
pti
o n a nd
c o sts at Butle r Fa rm
s A s s um
e s an el
e ctri
ci
ty c o st of
$0
.0 9 6 / k
W
h
a nd
a na
d di
tio n al d
em
a nd
of 5 1 7.5 7k
Wh
/ d
ay .C
u r r e nt e n e r g y c o n s um
pti
o n a nd
c
h
a rg
e s a r ef
r om
2 0 1 0(
3
7)
6 1
T a
b l
e18
-Pr o
j
e cted
pow
e rp
r od
u cti
o n, s a vin
gs and f
r a cti
o n of
e n e rg yd
em
a nd
m
et u sin
gZ
e ri
ng a nd
Fa rm w
a r e el
e ctric
i
ty
pr od
u cti
o n a s s um
pti
o n s6
2T
ab l
e19
-Pr o
j
e cted
a n nual
r e v e n u ef
r om
R EC
s ale s a
tB
utl
e r Fa rm
s. A s s um
e s a na nn u a
l p
ow
e rp
r od
u cti
o n of 10 2
,6 5 6 k
W
h
6 4
T a
b l
e2 0
-A
nnu al
r e v e n u ef
r om
c a rb
o n of f
s et s al
e s at Butle rF
a rm
s. A s s u
m
e s ac a r
b
o n r ed
u ctio n
of 3 16
tC
Oa e/
yr 6 5T
ab l
e2 1
- Pote ntia
l
a n n u al
r e v e n u e fr om
n itr og
e n tr ad in
g c r ed i
ts. A s s um
e s an
i
tr og
e n r em
o v al
of 10
,6 82 k g N /y
r6 7
T
ab l
e2 2
-C
o sts of
afo i l
s c al
e sy
stem
r etr of
it ted f
o r Butle r
Fa rm
s 69
Ta
b l
e2 3
-C
o sts of
afa
l l
s c al
e syste
m
atB
utle rF
a rm
s th
atin v o
l
v e s th
eT
ab l
eC
I -N i
tri f
i c atio n
/ d
e ni
tri f
i c ati
o nd
e si
gn v olu
m
e requir e
d f
o rf l
ow
r ate sQ
i,ea n
d
Q
r a s s um i
ng a H R T p of
41
,3 d
ays 9 7T a
b
leE
l -C
o n s u
m
e rP
ric e
Ind
e x(
C
P I-U)
a nd
c o n v e r si
o nf
a cto r s u s ed
to ad
j
u stc o sts a n
d
r etu r n s to 2 0 1 1d
ol l
a r s 1 0 1T a
b le
F l -E
x c a v ati
o n c o sts a s s um
ed b
y
Z
e rin
g 10 4
T a
b le
G l -C
o st of
cl
ay
l i
n e rf
o r e a rthe n c o n tai
nm
e nt str u ctu r e s. V i, „ e ri
n clud
e s15
%
f
o r c om
pa ctio n
1 08
T a
b le
G 2
-P l
a stic
l i
n e rin s
tal l
ati
o n c o sts(
5
1)
10 8Ta
b l
eG 3
- Ar e a o
f m
ate ri
al n e ed
ed
a nd
c o st of
pl
a sti
cl i
n e r s. A r e ain c
lu
d
e s a na
d d it
i
o n al 8
%
f
o r a n ch
o ri
ng 109Ta
b le
H I - Unit c o sts of
c o n c r ete c o ntainm
e nt str u ctu r e(
5 1)
I l lTa
b le
HI
-M
ate r
i
al
s n e ed
ed
a nd
c o sts of N /D
a nd
sto r age c o n c r ete c o ntai
nm
e ntstr u ctu r e s 1 12
T a
b le
II
-Su r
f
a c e a r e a r equ
ir e
d
a nd
c o st of b
atTJle sf
o r e a ch
alt
e r n ati
v e1 13
T
ab le
J 1
- V ol
um
e(g
al l
o n s)
of E
ngin e e r e
d St
o r ageP
r odu c
tsC
om
pa nyT
a nk
s(
5 1
)
1 15
Ta
b le
J 2
-C
o st of En
g i
n e e r ed St
o r ag
eP
r od
u ctsC
om
pa nyT
a nk
s ad
j
u sted
to2 0
11
dol la r s
r
5 i;
1 16T a
b le
J3
-C
o st a nd
siz e o
f
s ele c
ted
ta nk
sf
o rN /
D a nd
sto r age ta n
k
alt
e r n ativ e s
1 17 T ab
leK
l -M
e a s u r ed
qu a nt
i
tie s o
f g
a s e sin
pil
ot- s c ale
N
ta nk h
e ad
spa c e
(p
e r c e ntb
y v ol
um
e)
118
T ab
l
eK
2-Av e r age
i
nf
lu e nt LE f l
ow
r ate,O
2f l
ow
r ate,L E N
H 4 ^-N
c o n c e ntr atio n , a n
d p
r od
u c ed N O
i'
-
N
a nd
N O s'
-N o n
ga s s a
m
pl i
ngd
ays 1 21
T a
b
leK
3 - Ga s c o n s um
pt
i
o n(
O2)
a nd
pr od
u ctio n
(
C O2,C
H4, N 2O
,N
H3)
r ate sin
theN
ta nk
(g
/
g NH
4" -
N
)
12 6T
ab l
eK 4
-E
xp
e cted ft
il l
s c al
e ga s c o n s um p
tio n
a nd p
r odu c
tio nin
th
eN
ta nk
(
m
etri
c tons/
ye a r)
12 6
T
ab l
eL I
-M
e a s u r ed q
u a ntit
i
e s of g
a s e si
n pi l
ot s c al
eD
ta nl<
h
ead
spa c e(p
e r c e ntb
y v ol
um
e)
12 8T
ab l
e L2
-M
a s s pr o
d
u ctio n of
D ta nk
of f
-g
a s e s pe rm
a s sN
H 4 *-
N
e nte r
in
gN /
Dsyste
m
(g
/
g)
1 3 2T
ab le
L3
-M
a s s of
D ta nk
of f
-ga s e s pr o
d
u c ed
a n n u al l
y(
m
etric
to n s)
13 2T
ab l
eM
l -E
sti
m
ated f
ul l
s c ale
G H G
pr od
u ctio n(
m
etric
to n s/
ye a r)
.A
s s um
esQ
i
n= l 5.9 4 0L /
ye a r,l
ago o nN
H 4" -
N
c o n c e ntr at
io n
of 2
,3 4 0 m g/ L
,C O
2G
W
P =1,
C
H4G
W
P
=2 1,
N
2O G
W
P
=3 10
13 6
T
ab l
e0
1-A
v e r agem
e a s u r ed N H
4 *-N
in
p i l
ot s c al
el
ago o n ef f
lu e nt, N ta nk
, a nd
D
ta nk
14 2
T
ab l
e0 2
- Av e r age
m
e a s u r ed N O
^'
-
N in
p
i l
ot s c al
eN
tank
a nd
D ta nk
1 4 4T
ab l
e0 3
-A
v e r age
m
e a s u r ed
NO
s '-
N in
p
i lo
t s c al
eN
ta nk
a nd D
ta nk
147
T
ab l
e 0 4 - Av e r age
m
e a s u r ed
FN a nd
T DN
in the pi l
ot s c ale
l
ag
o o n ef fl
u e nt,N
ta n
k
, a nd D
ta nk
15 0
T
ab le
0
5 -A
v e r age
m
e a s u r ed C O D i
n pi l
o t s c alel
ago o n effl
u e nt,N
tank
, a nd
Dta n
k
15 2
Ta
b l
e0
6 -M
e a s u r ed
a
l k
al ini
tyi
np i
lot s c al
el
ago o n ef fl
u e nt, N ta nk , a nd
D ta nk
1 55
Tab l
e 0 7-A v e r age
m
e a s u r ed
total s u spe nd
ed s ol i d
s a nd
v olati l
e s u spe nd
ed
L i s t o f Fi g u r e s
F
i g
u r e1
-A
e ria
l
vi
ew
of B
utle r
F
a rm
ba r n s a n
d
lag
o o n s,(
f
r om G
o og
l
eM
aps)
15
F
i
gu r e2
-3 0
-d
ay r u n n
in
g a v e r agel
ago o n tem
pe r at ur e a nd 3
0-d
ay r u n n
i
nga v e r age tota
l
a nd
s ol
u bl
e C O Di
n lago o n ef f
lu e nt 1 8F
ig
u r e3
- A pr opo s ed
s ch
em
efo r
af
ul l
-s c al
e integr ated syste
m f
o r e n e rg ypr o
d
u ctio n
a nd
ni
tr oge n r em
o v al
2 1F
i
gu r e 4 -3 0
-d
ay r u nn
in
g a v e r age of
Lago o n 1, NT
a nk
, D Ta nk
a nd
tr ai le r
te
m
pe r atu r e s 9/ 10 /
10 thr o ugh
5 / 2 7/
1 1 2 3F
i
gu r e 5 -3 0
-d
ay r u n n
in
g a v e r age of N
a nd
D ta nk
p H , a nd d i
s c r ete p H v al
u e sin
la
g
o o n ef fl
u en t,9 / 10/
10 thr o u
gh 5/ 2 7 / 1 1
2 6
F
i
gu r e6
-Pe r c e n
t am m
o ni
um
r em
o v a
l
(
3 0
-d
ay r u n n
i
ng
a v e r age)
. Pe r c e nt v al
u ew
a s c alc u
l
ated b
ylo o
k i
ng at th
ed i f f
e r e n c eb
etw
e e n am m
o ni
um
c o n c e ntr at
io n s
in
th
ei
nf lu e n
t(
l
ago o n ef f lu e n
t)
a nd
ef fl
u e nt(
N
ta nk
)
o n ag
i
v e nd
ay2 8
F
i
gu r e 7 -P
e r c e nt TN
r em
o v al
(
3 0
-d
ay r u nn
in
g a v e r age)
of
the pi l
ot s c ale
n
i
tri fi c a
ti
o n/d
e ni
tri f
i c atio n
system
29
F
i
gu r e8
-Sc
h
em
eA
.
E f fl
u e ntf
r om
theN
ta nk i
s u s ed
to r efi
ll b
am
pit
s a nd i
sspr aye
d
o n th
e spr ayfi
el d
s 36
F
i
gu r e9
- Ful
l-s c al
ed
e si
gn Sc
h
em
e B . Ef fl
u e ntf
r om
th
eN
ta nk i
s r etu r n ed
to th
ela
g
o o n a nd l i
qui d f
r om
th
el
ag
o o ni
s u s ed
to r efi l l b
am
w
a ste c ol l
e ctio n
p
it
s a nd f
o rl
a nd
app h
c ati
o n3 8
F
i
gu r e 10
- Ful l
-s c ale
d
e si g
nSc
h
em
eC
3 9
F
i
gu r e 11
-C
u
m
ul
ati
v ei
nfl
ow
a nd d is c
h
a rg
e(
l
and
ap
pl i
c atio n
)
f
o r th
e2 0 10
-2 0 1 1
gr ow
in
g s e a s o n4 0
F i gu r e 1 2 - Fu
l l
-s c alega s pr o
d
uctio n in c o v e r ed
lago o n s.G
a sm
e a s u r ed i
nsta n
d
a rd
c ubi
cf
e et5 9
F
i
gu r e B l - 30
-d
ay r u n n
in
g a v e r age of
am m
o niu
m
-N
c o n c e ntr at
io n
in
l
ago o ne
f fl
u e nt,N
ta nk
a nd D
ta nk b
etw
e e n9 / 10 /
1 0 a nd 5 /2
7/
1 18 7
F i
gu r e B2
-3 0
-d
ay r u nn ing a v e r age o
f
nit
rit
e-N
a nd
nit
r ate-N
c o n c e ntr ati
o ni
n th
eN a n
d D
ta nk
sb
etw
e e n9 /
10/ 10
a nd 5/ 2
7/
1 1 88
F
i
gu r e B3
-30
-d
ay
m
n nin
g a v e r age of i
n o rga ni
c N spe ci
e s c o n c e ntr atio n si
n th
eN
ta nk b
etw e e n 9/1 0/
10
a nd
5/ 27/
1 1 89
F i
gu r eB 4
-3 0
-d
ay
m
n nin
g
a v e r age of i
n o rg
a ni
cN
c o n c e ntr atio n s
i
n th
e D tank
b
etw
e e n9
/10/
10 a nd 5 / 2 7/ 11
8
9F
i
gu r e B5
-30
-d
ay r u n n
in
g a v e r ag
e of
T N a nd
T D N c o n c e ntr ati
o n sin
thela
go o ne
f fl
u e nt, N ta nk
a nd
D ta nk
9 0
F
i
gu r eB 6
-3 0
-d
ay
m
n nin
g a v e r age of
total a nd
s ol
ub l
eC O D i
n th
el
ago o ne
f fl
u e ntb
etw
e e n9/
1 0/ 10
a nd
5/
2 7/
1 19 0
F i
gu r e B7
-3 0
-d
ay r u nn
in
g a v e r ag
e of
total
a nd
s ol
ubl
eC O D i
n th
eN
ta nk
e
f fl
u e ntb
etw
e e n9/
10 /
10 and
5/
2 7/
1 19 1
F i g
u r eB 8
-3 0
-d
a
y
r u n nin
g a v e r ag
e of
total
a nd
s ol
ub l
eC O
Di
n th
eD
ta nk
e
f fl
u e ntb
etw
e e n9 / 10 / 10
a nd 5/ 2 7 / 11
9
1F i g
u r eC I
-M
a s sb
al
a n c em
od
el
of
a ny spe cie s
"x"in
f
ul l
-s c a
le
system
-S
ch
em
eF
i
gu r eC 2
-E
sti
m
ati
o n of N
H 4^
-
N
c onc en tr ati
o ni
nla
g
o o n o v e r ti m ein
Sch
em
eB
9 5
F
i
gu r e C3
- Sen s
i
ti
vit
y a n al
ysi
s of
Q
l e and
Q
r o nl
ago o n am m
o nia
c o n c e ntr ation 9 6 F i gu r eD
l -M
od
el of
spe c
i
e s xin
f
ul l
s c ale
system
-Sc
h
em
e C 98
F
i
gu r eF
l -E
a rth
e n c o ntai
nm
e n t str u ctu r ed ia
gr a
m
10
2F
i
gu r eF 2
-L i
n e a r
in
te rpol
ati
o n of
e arth
e n c o ntai
nm
e nt str u ctu r e e x c a v ati
o nA
c k n ow
l ed g emen t sI
ti
s ap l
e a s u r e t o th
ank
al l
th
o s ew h
om
ad
e th i
s pr oj
e ct a nd
te ch
ni
c al
r epo rtpo s s
i b l
e. I ow
em
yd
e epe st gr ati
tud
e tom
y ad
vis o r.D
r.M
ich
a el A i
tk
e n,f
o rh
isp
ati
e n c ea n
d
gui d
a n c e.I w
oul d l i k
e to th
a nk D
r.S
teph
e nW
h
al
e nf
o rhi
s a s si
sta n c ew i
th
ga sa n a
l
ysi
s and
r eacto r ope r ati
on and D
r.J
o eR
ud
ek f
o rh i
s a s si
sta n c ew i
th m y
u n
d
e r sta nd i
ng of
th
eN
o rth C
a r ol i
n a sw i
n ef
a rm
pol i
ti
c al
e n vi
r o nm
e nt. Iw
o ul d
al
s ol i k
eto t
h
a nk E
ri
cS
ta u n to nf
o rh i
s ni
tr ogen a n al
y si
s, r e a cto r ope r ati
on a nd
c om
r ad
e ry.I
am
e x c e e
d i
ngl y g
r atef
ul
toD
r.G l
e im
W
al
t er s, th
eE SE D
esi
gnC
e nte r te am
, a nd J
oh
nM
cN
ei l l f
o rb
ui l d i
n g,m
ai
ntai
ni
ng and
ope r ati
n g th
ep i l
ot-s c a
l
e ni
tr og
e n r em
o v al
system
.I
th
a nk
th
eB
utl
e rf
am i l
y, e spe ci
al l
yT
om
B
utl
e r,f
o rh
el p i
ng
m
e to u nd
e r sta nd f
a rm
ope r atio n s a n
d f
a rm
e r c o n c e r n s.I
al
s o th
a nk
th
ef
u nd i
ng a s a
G i l l i
ngs Irm
o v ati
onL
ab
th
atm
ad
e th i
sp
r oj
ectp
o ssi b l
e.F i
nal l
y, Iw
o ul d l i k
e to th
a nk m
yf
am i l
y and f
ri
e nd
sf
o r al l
1
.0 I
n t r o d u c t i o nN
o rth C
a r ol i
na is th
e s e c o nd l
a rge st hog pr od
uc e ri
n th
eU
ni
ted
State s.T h
eN
o rth
C
a r ol i
n a sw i
n ei
nd
ustry sup p
o rts ov e r8
,0 0 0
j
ob
s a nd g
e n e r ateso v e r$
1
.9 b i l l i
o n a n n u al l
y(
1)
.S i
n c e th
e 1 9 8 0s, t
h
e ind
u stry ha s e xpe ri
e n c ed
tr em
e nd
o u s gr ow
th
,w i
th th
em
o str ap
i d g
r ow
th
o c c u r ri
ng i
n th
e19 9 0
s.T h
e stateh
ogp
op
ul
ati
o ni
n c r e a s ed fr
om
25
,0 0 0
h
e ad i
n 19
8 0 to 10 m i l
li
o nh
e ad b
y 1 99
8(
2
)
.D
u ri
ng th i
s ti m
e th
e styl
e of h
ogf
a rm i
ng
h
a sm
i m i
ck
ed
n ati
o n-w i d
e tr e n
d
s, tr a n si
ti
o ni
ng f
r om m
any
sm
al l f
a rm
s tof
ewe r,i
n c r e a si
ng l
yl
a rg
erf
a rm
s, al
so r ef
e r r ed
to as c o nfi
n ed
a ni m
al f
e ed i
ng op
e r ati
o n s(
C
AF O
s)
(
3
)
.D
espi
te th
e tr em
e nd
ousg
r ow
th
of
th
eh
og pop
ul
ati
on, th
e n um b
e r of N
o rth C
a r ol i
n ah
og f
a rm i
ngf
a ci l i
ti
e sh
a sd
e c r e a s ed f
r om
n e a rl
y 70
,0 0 0 i
n19 7 0
tof
ew
e r th
a n 5,0 0 0
(
1
)
.S m i
th f
i el d
Fo od
s, In c., th
e la rge sth
og pr odu c e ri
n th
ew
o rl d
, o wn s a n e sti m
ated
70
pe r c e nt o
f
th
eh
ogs gr ow
ni
nN
o rth C
a r ol i
n a(
4)
.W
a st em
anag
em
e nt ath
ogf
a rm
si
nN
o rth C
a r ol i
n ah
asb
e c om
e a ni
s sue of p
ub l i
cc o n c e r n.
E
a rth
e n a n a e r ob i
cl
ago o n s c o upl
ed
wi
th l
a nd
ap
pl i
c ati
o n a r e sti l l
th
e sta nd
ard
w
a ste tr e atm
e nt te ch
n ol
og
y u s ed b
y gr ow
e r s.T h
e r e a r e app
r o xi m
atel
y4
,0 0 0
a cti
v e a nd
6 5 0 i
n a cti
v e sw i
n el
ago o n si
nN
o rth C
a r ol i
n a(
1)
.U
ri
n e a nd f
e c e sf
r om
h
ogb
am
s a r ef l
u sh
ed i
nto ope nl
ago o n s of w
a stew h
e r ei
ti
sd
eg
r ad
ed b
y an a e r ob i
cm i
c r o o rgani
sm
s.F
a rm
e r s th
e nd i
sp
o s e of
th
ew
a ste a nd f
e rti l i
z e c r op
sb
yp
e ri
od i
c al l
y sp
r ayi
ng
th
el
ago o nl i
qui d
o ntof
i el d
s.D
e spi
te th
e s ettl i
ng
of
s ol i d w
a ste a nd d
eg
r ad
ati
o np
r o c e s s e s th
at o c c u ri
n al
ago o n, th
e l i qui d
app l i
ed
to sp
r ayfi
el d
sh
a s ah i
gh
n utri
ent c onten t.T h
ese n utri
e nts ar ep
ri m
ari l y i
n th
ef
o rm
of
ph
o sph
o r u s a nd
, th
e n utri
e nt of f
o c u s of
th i
s stud y
, ni
tr oge n(
al
m
o st enti
r el y
as am
m
o ni
um
,N H
4 '^wate r
w
he n c a rri ed in storm
ru n of f a nd c a n le ad to ele v ated nu trie nt co nc entratio ns ing
ro und w
ate r(
5
)
.M
eth
a n e(
a pote nt gr e e nh
o u s e ga s)
, am m
o nia
,h
yd
r og
e n s ul fi d
e a nd
o the r ga s e s a r e e
m i
t ted fr
om l
ago o n s a nd b
y v ol
ati l i
z atio n of
spr ayed
lago o nl i
qui d
.A
m m
o ni
a em i
s sio n s c a u s e r e s
pi
r ato ryh
e alt
h
pr ob le
m
s a nd
c a n r e s ul
ti
n th
ed
epo si
tio n
of
n
it
r oge nin
to the s u r r o u nd i
ng e n vir o
mne nt,w hi l
e str o ng od
o r s r ed
u c e th
e v alu e a n
d
e n
j
oym
e n t of
ad
j
a c e nt pr ope rtie s
(
6)
.T h
ela
go o n str u ctu r e s th
em
s el
v e s c a nfl
o od
o re x
p
e rie n c e c a
ta str op h i
cf
ai l
u r e, em i
tti
ng th
e w a stein
to th
e e n vir o n
m
e nt a nd
s u r r o u nd in
g
c o
m m
u nit
ie s
. Ev e nw i
th
o utm
aj
o r str u ctu r al f
ai l
u r e, th
eN
orth C
a r ol i
n a Dep
a rtm
e nt of
t
h
eE
n vi
r o nm
e nt a nd Natu r al
Re s o u r c e s(
D E N R)
f
o u nd
that up to 2 5%
of l i
n ed
lago o n sm i g
ht le ak
(
1)
.O
v e r the pa st tw
od
e c ad
e s,m
u ch w
o rk h
a s be e nd
o n e to r egul
ate th
ee n v
i
r o nm
e ntal i m p
a cts of
sw in e
f
a rm i
ngi
nN
o rth Ca r ol i
n a.Si
n c e 19 9 7 the c o n str u ctio n
o
f
n ew h
og l
ag
o o n s th
atd
o n ot uti l i
z ein
n o v ativ e
te ch
n ol
og i
e sh
a sbe e n
b
a n n ed
.T h
eN o rth Ca r o
l i
n a at to r n eyg
e n e r al h
a sw
o rk
ed w
ith l
e ad i
ngh
og-pr odu cing c o rpo r atio n s a n
d
l
o c al
u ni
v e r sit
ie s
tod
e v el
op n ew w
a ste tr e atm
e nt te ch
n ol
ogie s
w i
th
th
e ul
ti m ate go al
of
p h
a si
ng o ut th
e u s e of la
g
o o n s.T h
e stateh
ope s tofi
nd
a te chn ol
og y th
atm
e ets n ew
e n v
i
r o nm
e ntal p
e rf
o rm
a n c e sta nd
a rd
sw h i l
e r em
ai
nin
g te ch
ni
c al l
y a nd
e c onom i
c all
yf
e a si b le
.T h i
s pr oj
e ct s o ugh
t to e x pl
o r e a pr opo s ed
te ch
n ol
og yfo
rh
og w
a ste tr e atme nt th
atc o
m b in e s
the c aptu r e of
m
eth
a n ef
o r e n e rgy p
r od
u cti
o nw i
th b i
ol
ogi
c al
nit
r oge n(
N
)
r emo v a
l
.A
pi lo
t-s c ale N r e
m
o v al syste
m
wa s ope r ated
at af
a rm w i
th
a n e xis
ti
ngm
etha n e c ap tu r e system
a nd
th
e r e s ult
s we r e u s ed
tod
e si
gn af
ul l
-s c ale
b io
l
o-r e
m
o v al
system
.T h
e system
's pe r
f
o rm
a n c e, c o sts, a nd
e c o n om i
cb
e n ef i
tsw
e r e a s s e s s ed
2.
0 B
a c k g r o u n d2
.1 H
i s t o r y o fN
o r t hC
a r o l i n a Sw
i n e Fa rm
L e g i s l a t i o nT h
e r api d i
n c r e a s ei
n theh
og popul
ati
o n a nd
pr e v al
e n c e of C
AF O
si
nN
o rthC
a r ol i
n aw
a s ai d
ed b
y 1 9 9 1 statel
egi
slati
o n th
at e x em
ptsl
a rge-s c al
eh
og
f
a rm
sf
r om
l
ocal
z o nin
g r eg
ul
ati
o n s(
1
)
.T h
efi
r stm
aj
o r envi
r o nm
e ntal l
eg i
sl
ati
o n sp
e ci fi
c to th
es
w i
n ei
nd
u stry c am
ei
n 19 9 5
,w h
e n th
eG
e n e r al
A s s em
b l
y pa s s ed
al
aw
r equi ri
ng
th
atl
a nd
ap
pl i
c ati
o nb
ed
o n eb
y a c e rti fi
ed
ope r ato r(
8
)
, al
aw
es tab l i
sh i
n g th
e pe rm
i
t ti
ng
a nd
m
o ni
to ri
ng
r egul
ati
o n sf
o r a ni m
al w
a stem
a n agem
e nt system
s, a state pri
ce -sh
a ri
ng
syste
m f
o r w a stem
a n agem
e nti
n n o v ati
o n(
8, 9)
, a nd
th
e Sw i
n e Fa rm Si
ti
ngA
ct. Th i
sl
eg i
sl
ati
o np
r e v e nted
sw i
n eh
o u s e s a nd l
ago o n sf
r om b
ei
ng
c o n str u cted
n e a r o c c up i
ed
r e s
i d
e n c e s(
1
,500 ft
)
; s ch
o ol
s,h
o spi
tal
s, a nd
ch
u r ch
e s(
2
,5 0 0 ft
)
; o r pr ope rtyb
o u nd
ari
es(
50 0 ft
)
to r ed
u c e the odo r 's
i m
pa ct o n ad
j
oi
nin
gp
r ope rtie s(
10
)
.O
nJ
u n e2 1
,19 9
5 , al
ag
o o n atO
c e a nV i
ew F
a rm
si
nO
n sl
ow C
o u nt>',
N C f
ai l
ed
, s e nd i
ng2 2 m i l l i
o n gal l
o n s of
r a
w h
ogw
a stei
ntoN
ew
Ri
v e r tri b
u ta ri
e s.T
he sp i l
l c a u s ed
am
a s si
v efi
sh k i l l
and
spu r r ed
a s e
ri
e s of
e n vi
r o nm
e ntal
r eg
ul
ati
o nsf
o r th
eh
og i
nd
u stry
(
U
)
.T h
e 1 99
7C l
e anW
ate rRe s
p
o n si b i l it
yA
ctp l
a c ed
am
o r atori
um
o n th
e e x pa n si
o n of
e xi
sti
ngl
a rg
eh
ogf
a rm
s a nd
t
h
e c o n str u cti
on of
new f
a rm
sin
N
o rth C
a r ol i
n aw i
th
m
o r e th
a n2 5 0 h
ogs(
1
2)
. Th i
s ac tw
a sm
e a nt to pr e v e nt th
e c o n str u cti
o n of
n ewl
ag
o o n s u nti l f
u rthe r r egul
ati
o n s c o ul
db
ee sta
b l i
sh
ed
and
, ul
ti m
atel
y, unti l n ew
wa ste tr e atme nt te ch
nol
ogi
e s c o ul d b
ed
e v el
oped
.T h
em
o r atori
um w
a s r enew ed i
n19 9 8
,19 9 9
,2 0 0 3
, a nd
agai
ni
n2 0 0 7
(
13
-1 5
)
.
I
n19 9 9
,fl
ood i
ng f
r om H
u rri
c a n eF l
oy d
cau s ed
th
e o v e rfl
ow of
n um
e r o u sh
og l
ag
o o n s,T
h
em
o r atori
um
r e n ew
al l
egi
sl
ati
o n pe rm it t
ed
new
sw i
n ew
a stem
anagem
e ntsyste
m
s tob
e c o n str u cted
o nl
yi f
th
eym
et a s eri
e s of
pe rf
o rm
a n c e sta nd
a rd
s.T h
e s esta n
d
a rd
s s o ug h
t to :1.
E l i m i
n ate th
ed i
s ch
a rge of
a ni m
al
w a ste to s u rf
a c e wate r s a nd
gr oun
d w
ate r th
r o ugh d i
r e ctd i
s ch
a rge, s e epage o r r u n of f
;2
.S
ub
stan ti
al l y
el i m i
n ate atm
o sph
e ri
c em i
s si
o n s of
am m
o ni
a;3
.S
ub
sta nti
al l
y el i m i
n ate th
e em i
s si
o n of
od
o r th
ati
sd
ete ctab l
eb
eyo nd
t
h
eb
o u nd
a ri
e s of
th
ep
a r c el
o r tr a ct of l
a nd
o nw h i
ch
th
e sw i
nef
a rm i
sl
o c ated
;4
.S
ub
sta nti
al l
y e
l i
m
i
n ate th
e r el
e a s e of d i
s e a s e-tr a n sm i
t ti
ng v e cto r s a n
d
ai
rb
o rn ep
ath
og
e n s; a nd
5
.S
ub
stan ti
al l
y el i
m
i
na te nutri
e nt a nd h
e a v ym
etal
c o ntam
in a t
i
o n of
s oi l
a n
d g
r o u ndw
ate r.T h
eN
o rth C
a r ol i
n aA d m i
ni
stra ti
v eC
od
e(
T i
tl
e15 A
,C h
apt er2
,S
ub C h
ap te rT
.13 0 7
)
st
i p
u late s th
at gr o u nd w
ate r a nd
s u rf
a c ew
ate rg
o al
sw i l l b
em
et th
r o ug h p
rop
e r sto r ag
ea n
d
tr e atm
en t str u ctu r ed
e si
gn(
i
n a c c o rd
a n c ew i
th N R C
S sta nd
a rd
s)
; am m
o ni
a em i
s si
o ngo a
l
sw i l l b
em
etb
y s ettin
gl i m i
ts o n th
e qu a ntit
y of
am m
oni
a em i
t ted b
y af
a rm
; od
o rp
e rf
o rm
a n c e stand
a rd
s a r em
etb
y s et ti
ngl i
m
i
ts o n th
em
eas u r ed
a nd
ob
s e r v ed
od
o ri
nte n sit
y i
n a c c o rd
a n c ew it
h
AS
TM
sta nd
a rd
s;d i
s e a s e a nd p
athoge n-r el
ated p
e rf
o rm
a n c esta n
d
a rd
sw i l l b
em
etb
yl i m it
in gf
e c al c ol i f
o rm
c o n c e ntr ati
o n s of
th
e system
ef f
lu e nt;an
d
n utri
e nt a nd h
e a vym
e tal g
oal
sw i l l b
em
etb y m
e eti
ng N R C S C
om p
r eh
e n si
v eN
utri
e ntM
a n agem
e nt Pl
a n(
CN
M
P)
gui d
eli
n e s.C
om b i
n ed
am m
o ni
a em i
s si
o n sf
r om
s
w i
n ew
a ste tr e atm
ent a nd
sto rag
e str u ctur e sm
ay n ot e x c e ed
a n an nu al
ave r ag
e of 0
.2 k g
N H
3-N /w k /
1,
0 0 0 k
g ste ad
y statel i
v e w ei
gh
t(
SS L
W)
, am m
o ni
a em i
s si
o n sf
r om l
a nd
ap p
l i
c ati
o n sit
e sm
ay n ot e x c e ed
a n ann u al
a v e r ag
e of 0
.2 k
g
N H
3-N /w k / ]
,0 0 0 k
gSS L
W
,an
d
am m
o ni
a em i
s si
on sfr
om
th
e sw i
n ef
a rm m
ay n ot e x c e ed
a n a nnu al
a v e r age of 0
.9 k
g