Many valuable ecosystems such as springs, wetlands, lakes and rivers depend on the presence of groundwater. These ecosystems, known as groundwater dependent ecosystems (GDEs), are biodiversity hotpots and provide important habitats for many endangered species. In recent decades, groundwater over-abstraction, contamination and climate change have put serious pressure on groundwater resources and groundwater-dependent ecosystems. This has shifted water management towards fully-integrated approach in which groundwater, surface water bodies and dependent ecosystems are treated as one management unit. The current EU legislation and the corresponding Finnish laws require assessment of the impacts of various land uses and groundwater abstraction to GDEs. The role of groundwater in GDEs is not, however, in many cases thoroughly understood. For this reason, groundwater-surface water (GW-SW) interactions and their dynamics need further investigation. Integrated groundwater-surface water modelling is a unique method to study connections between surface water and groundwater, and thus it is a potential tool for evaluation of various anthropogenic or climatic effects on GDEs. The aim of this thesis was to examine the performance of fully-integrated physically-based GW-SW modelling to simulate groundwater dependent ecosystems in a case study of the Kälväsvaara esker aquifer located in Northern Finland. The target was to create a model of the geologically complex esker and its adjacent areas that captures all type of GDEs present in the area i.e. fens, kettle hole lakes, streams and springs without their prior definition to the model. The study investigated how the model should be scaled and what information is needed to replicate the studied GDEs. For this purpose, a simple model was built using the fully-integrated physically-based GW-SW code HydroGeoSphere. The model was run in steady-state and it was calibrated manually by the try-and-error method. The model did not include the forestry ditch systems and it assumed homogeneity within various zones of overland and porous domains. The effect of evapotranspiration was represented in a lumped manner through the term of effective rainfall. The model results were evaluated by comparing the simulation outputs with the field measurements and expected trends for the variables where data was not available. The employed model reproduced relatively well the measured groundwater and lake levels as well as other spatially-distributed variables such as saturation, water depths and GW-SW exchange fluxes. Majority of lakes, wetlands and streams emerged during simulations in a natural way as a result of geological and topographical conditions. In contrast, small scale GDEs such as springs were not so well represented by the model, indicating that small-scale GDEs are more challenging to model in a physically-based manner without detailed information on the geology around these water bodies. The overall good consistency between simulations and observations demonstrated that the fully-integrated physically-based GW-SW modelling can be a viable method to simulate various boreal groundwater dependent ecosystems, making it feasible tool to study effects of anthropogenic actions, such as pumping or climate change, on GDEs. The spatial and temporal analysis of exchange fluxes under various scenarios could enhance our understanding about the dynamic behavior of GDEs, role of groundwater in these ecosystems and their sensitivity to deterioration under transient hydrological and climatic stresses. / Monet arvokkaat ekosysteemit, kuten lähteet, kosteikot, järvet ja joet riippuvat pohjaveden läsnäolosta. Nämä ekosysteemit, niin sanotut pohjavedestä riippuvaiset (PV) ekosysteemit, ovat luonnon monimuotoisuudeltaan rikkaita ja tarjoavat tärkeitä elinympäristöjä monille uhanalaisille lajeille. Viime vuosikymmeninä liiallinen pohjavedenotto, pohjaveden saastuminen ja ilmastonmuutos ovat aiheuttaneet vakavia paineita pohjavesivaroille sekä pohjavedestä riippuvaisille ekosysteemeille. Tämän seurauksena vesitalous on siirtynyt kohti täysin integroitua mallia, jossa pohjavesiä, pintavesiä ja PV-ekosysteemejä käsitellään yhtenä vesienhoitoalueena. Nykyinen EU-lainsäädäntö ja vastaavat Suomen lait edellyttävät eri maankäytön ja pohjavedenoton vaikutusten arviointia PV-ekosysteemeihin. Pohjaveden rooli PV-ekosysteemeissä on kuitenkin monesti tuntematon. Tästä syystä tarvitaan lisätutkimuksia pinta- ja pohjaveden vuorovaikutuksista ja niiden dynamiikasta. Täysin integroitu numeerinen pohjavesi-pintavesi virtausmallintaminen on ainutlaatuinen menetelmä tutkia pinta- ja pohjavesien yhteyksiä, ollen täten potentiaalinen työkalu arvioimaan ihmistoiminnan ja ilmaston vaikutusta PV-ekosysteemeihin. Diplomityön tavoitteena oli tutkia integroidun numeerisen pohjavesi-pintavesi virtausmallinnuksen kykyä simuloida PV-ekosysteemiä Pohjois-Suomessa sijaitsevan Kälväsvaaran tapauksessa. Tarkemmin, työn tarkoituksena oli luoda malli geologisesti monimutkaiselle harjulaajentumalle ja sen lähialueille siten, että alueella esiintyvät erityyppiset PV-ekosysteemit kuten letot, suppalammet, purot ja lähteet muodostuvat malliin ilman niiden erillistä määrittelyä mallin rakentamisvaiheessa. Tutkimuksessa selvitettiin myös, miten mallia pitäisi mitoittaa ja mitä tietoja tarvitaan mallintamaan alueen PV-ekosysteemejä. Tätä varten rakennettiin yksinkertainen malli käyttäen täysin integroitua numeerista pohjavesi-pintavesi HydroGeoSphere-virtausmalliohjelmistoa. Malli ajettiin ajan suhteen muuttumattomassa tilassa (steady-state) ja se kalibroitiin manuaalisesti yritys-ja-erehdys menetelmällä. Malliin ei sisällytetty erikseen metsäojituksia ja lisäksi maanpinnallisten ja maanalaisten vyöhykkeiden oletettiin olevan homogeenisia. Kokonaishaihdunnan vaikutukset huomioitiin keskitetyllä tavalla tehokassadannan termiä käyttäen. Mallin tuloksia arvioitiin vertailemalla simulaatioita kenttämittausten, tai havaintojen puuttuessa, odotettujen trendien suhteen. Rakennettu malli jäljensi suhteellisen hyvin pohjaveden ja järvien pintojen havainnot sekä muita alueellisesti jakautuneita muuttujia kuten maan suhteellista kosteutta, pintavesien syvyyttä ja pinta- ja pohjavesien välistä vuota. Suurin osa alueen järvistä, kosteikoista ja puroista muodostui simulaatioiden aikana luonnollisella tavalla geologisten ja topografisten olosuhteiden seurauksena. Sen sijaan pienen mittakaavan PV-ekosysteemit kuten lähteet eivät olleet yhtä hyvin edustettuna mallin tuloksissa. Tämä viittaa siihen, että pienimuotoiset PV-ekosysteemit ovat haastavampia mallintaa fysikaalispohjaisella tavalla ilman yksityiskohtaista tietoa vesistöjä ympäröivästä geologiasta. Kaiken kaikkiaan hyvä yhtäpitävyys simulaatiotulosten ja havaintojen välillä osoittaa, että täysin integroitu pinta- ja pohjavesi mallinnus on soveltuva tapa simuloida eri PV-ekosysteemejä. Täten se on toteuttamiskelpoinen työkalu arvioimaan ihmistoiminnan kuten vedenoton tai ilmastonmuutoksen vaikutusta PV-ekosysteemeihin. Alueellinen ja ajallinen pinta- ja pohjavesien välinen analyysi erilaisissa skenaarioissa voisi lisätä tietoutta PV-ekosysteemien dynaamisesta käyttäytymisestä, pohjaveden roolista niissä ja niiden mahdollisesta heikentymisestä ajan suhteen muuttuvien hydrologisten- ja ilmastollisten rasitusten alla.

Tässä diplomityössä tutkittiin, kuinka ympäristöjohtamista voidaan soveltaa pienessä organisaatiossa, jolle haluttiin luoda toimintamalli ympäristöasioiden käsittelyyn ja hoitoon ilman ympäristöjärjestelmän sertifiointia. Työssä laadittiin Vesikolmio Oy:lle toimintaa ohjaavat ympäristömittarit- ja indikaattorit, joiden avulla yhtiö voi seurata ympäristöasioiden kehitystä omassa toiminnassaan. Lisäksi työssä etsittiin toimintatapoja, joiden avulla Vesikolmio voi viestiä ympäristöasioiden kehityksestä sidosryhmilleen ja kuinka työntekijät voivat ottaa ympäristöasiat huomioon omassa toiminnassaan sekä miten pienessä organisaatiossa voidaan jakaa vastuut ympäristöasioiden hoidossa. Vesikolmio Oy on tukkuvesiyhtiö, jonka tehtävänä on talousveden hankinta ja jätevesien puhdistaminen sekä toiminta-alueensa kuntakeskusten välisten siirtolinjojen ylläpito. Vesikolmion osakkaita ovat Ylivieskan, Nivalan, Kalajoen ja Haapajärven kaupungit sekä Sievin ja Alavieskan kunnat. Vesikolmio Oy:lle on tehty ympäristöasioiden nykytila-analyysi vuoden 2012 aikana, joka on pohjautunut ISO 14001 -standardin mukaiseen ympäristöjärjestelmään. Ympäristöjohtaminen on organisaation toimintaan liittyvien ympäristöasioiden hallitsemista ja kehittämistä niin, että toiminnan aiheuttamia negatiivisia ympäristövaikutuksia voidaan vähentää ja välttää. Ympäristöjohtaminen voidaan luontevasti liittää osaksi yrityksen muuta johtamis- ja päätöksentekojärjestelmää, mutta sen toimivuus yrityksessä varmistetaan koko henkilöstön sitoutumisella toimintatapaan. ISO 14001 -standardi ja EMAS-järjestelmä ovat molemmat yrityksen ympäristöasioidenhallintaan kehitettyjä järjestelmiä, joiden tarkoituksena on helpottaa yrityksen ympäristöjohtamista. Vesikolmiolle rakennettiin mittaristo ympäristöasioiden seurantaa varten hyödyntäen suurempien vesihuoltolaitosten ympäristömittareita ja -indikaattoreita. Ympäristölaskenta keskittyy energian- ja kemikaalien kulutukseen, pohjavesien käyttöön ja suojeluun sekä liikenteen aiheuttamiin ympäristövaikutuksiin. Mittaristo on rakennettu niin, että tarkasteltavat kohteet on helposti nostettavissa esiin Vesikolmion eri toiminnoista eikä sen käyttö kuormita henkilöstöä kohtuuttomasti. Lisäksi vastuu ympäristölaskennasta on jaettu useammalle henkilölle, mikä keventää yhden henkilön vastuuta ympäristöasioiden hoidosta ja nopeuttaa samalla ympäristöasioihin liittyvää tiedonkulkua. Mittaristoa on mahdollisuus kehittää tulevaisuudessa Kalajoen uuden keskuspuhdistamon myötä, jolloin mittaristoon voidaan lisätä esimerkiksi lietteen hyötykäyttöasteen seuranta. Ympäristöviestintää voidaan kehittää lisäämällä vuosikertomukseen oma osio ympäristöasioille, jossa käydään läpi ympäristölaskennan tuloksia. Ympäristölaskenta auttaa henkilöstöä seuraamaan ympäristöasioiden kehitystä ja luo kannustimen parantavien toimenpiteiden löytämiseksi eri toimintoihin. / The aim of this study was to determine how the environmental management can be applied in a small organization, which wanted to create an operations model of environmental issues handling and management without an environmental management system certification. The environmental measurers and indicators were created to guide the operations of the Vesikolmio Oy and to follow up the development of environmental issues. Additionally this study is looking for the practices to communicate the development of environmental issues for Vesikolmios stakeholder groups and how employees can take environmental issues into account in their operations, as well as how a small organization can share the responsibilities of environmental issues. The Vesikolmio Oy is a wholesale water company, which is responsible for drinking water supply and wastewater purification as well as the maintenance of transmission lines between the centers of the operation area. Shareholders of the Vesikolmio are cities of Ylivieska, Nivala, Kalajoki and Haapajärvi and municipalities of Sievi and Alavieska. Vesikolmios present state analysis of the environmental issues a based on the ISO 14001 -standard has been done during year 2012. Environmental management includes management and development of environmental issues related to the organization’s activities so that the negative environmental impacts of the operation can be reduced and avoided. Environmental management can be easily integrated into the company’s management and decision-making system, but it’s functionality in the company is ensured by the commitment of the staff to the approach. The ISO 14001 -standard and the EMAS-system are generated for the companies to control environmental issues and to ease environmental management. The instrumentation for environmental monitoring to Vesikolmio was planned by utilizing the environmental measurers and indicators used by larger water and wastewater supply plants. Environmental accounting focuses on consumption of energy and chemicals, groundwater use and protection, and the environmental impact of transportation. The instrumentation is designed so that observed targets are easily raised out in Vesikolmio’s various operations and its use does not burden employees. Also responsibility for environmental accounting is divided to multiple persons, this will reduce one person’s responsibility of environmental issues and at the same time will speed up the information flow about environmental issues. The indicators have the opportunity to be developed in the future, when the new central wastewater purification plant of Kalajoki is in use the monitoring of sludge utilization rate can be added into the instrumentation. Environmental communications can be developed by inserting a section of environmental issues into the annual report, where the environmental accounting results are gone through. Environmental accounting helps employees to monitor environmental developments and creates opportunity to find operations to be improved.

Oulun Jätehuollon Ruskon jätekeskuksen viimeisin jätteen loppusijoitusalueen laajennusosa on otettu käyttöön vuonna 2010. Ennen Laanilan jätteenpolttolaitoksen ja Oulun Jätehuollon lajitteluareenan valmistumista vuonna 2012 Ruskon jätekeskuksen loppusijoituskapasiteetin arvioitiin riittävän noin kahdeksaksi vuodeksi. Loppusijoituskapasiteetin loputtua Oulun Jätehuollon alkuperäisenä toimintasuunnitelmana oli uuden jätekeskuksen rakentaminen Punaisenladonkankaalle Haukiputaalle. Hanke kuitenkin peruuntui muun muassa osayleiskaavan puuttumisen ja asukkaiden vastustuksen vuoksi. Jätehuollon jatkuvuuden turvaamiseksi Ruskon jätekeskukseen ollaan kaavoittamassa uutta laajennusaluetta. Tämän diplomityön tavoitteena oli laatia yleissuunnitelma Ruskon jätekeskuksen uudesta laajennusalueesta. Lisäksi merkittävän osan työstä muodosti loppusijoituskapasiteetin jäljellä olevan käyttöajan uudelleenarviointi ennen laajennusalueen rakentamista. Jätteenpolttolaitoksen ja Oulun Jätehuollon lajitteluareenan valmistuttua Ruskon jätekeskukseen loppusijoitettavan jätteen määrä on vähentynyt merkittävästi. Jätteen laatu on myös muuttunut huomattavan paljon epäorgaanisemmaksi. Työn alussa käsiteltiin lyhyesti jätealaa ohjaavaa lainsäädäntöä Suomessa ja EU:ssa. Lisäksi esiteltiin pääpiirteittäin Suomen ja EU:n jätelainsäädäntöjen velvoituksesta laadittu Valtakunnallinen jätesuunnitelma vuoteen 2016 ja sen tavoitteita mukaileva Oulun läänin alueellinen jätehuoltosuunnitelma. Jätealan toimijoiden kannalta tärkeinä tekijöinä käsiteltiin jäteveroa ja vuonna 2016 voimaan astuvaa orgaanisen jätteen kaatopaikkasijoituskieltoa. Työn alussa käsiteltiin myös kaatopaikkojen pohjarakenteille, vesienhallinnalle ja kaatopaikkakaasun keräykselle asetettuja vaatimuksia. Työssä käytiin läpi jätehuollon järjestämistä Oulun alueella, erityisesti Oulun Jätehuollon kannalta. Oulun Jätehuollon toiminnan esittelyn jälkeen arvioitiin Ruskon jätekeskuksen loppusijoituskapasiteetin jäljellä olevaa käyttöaikaa. Käyttöaikatarkastelua varten selvitettiin jäljellä oleva jätetäyttötilavuus ja arvioitiin tulevaisuudessa loppusijoitettavien jätteiden määriä. Ennen laajennusta Ruskon jätekeskuksen alueella on mahdollista lisätä loppusijoituskapasiteettia rakentamalla jätetäyttöalue rakennusjätteen vanhan ja uuden loppusijoitusalueen väliin. Alustavien suunnitelmien mukaan välitäyttö voidaan toteuttaa siten, että lisäkapasiteettia saadaan 270 000 m³ tai 690 000 m³. Tulevaisuudessa loppusijoitettava jätemäärä arvioitiin Oulun Jätehuollon ylläpitämien jätemäärätilastojen ja Oulun Jätehuollon henkilökunnan kanssa käytyjen haastattelujen perusteella. Koska tulevaisuudessa loppusijoitettavan jätemäärän tarkka arviointi on mahdotonta, käyttöaikatarkasteluun otettiin mukaan jätemäärät, jotka olisivat odotettua pienempiä tai vastaavasti odotettua suurempia. Loppusijoituskapasiteetin käyttöaikatarkastelun perusteella havaittiin, että ilman uusia investointejakin Ruskon jätekeskuksessa riittää loppusijoituskapasiteettia vähintään 15 vuodeksi. Toteuttamalla jo suunniteltu rakennusjätteen loppusijoitusalueiden välitäyttö, loppusijoituskapasiteetti riittää ilman laajennusaluettakin jopa yli 100 vuodeksi. Uuden laajennusalueen osalta suunniteltiin yleissuunnittelutasoisesti laajennusalueella tarvittavat toiminnot sekä niiden laajuudet ja sijoittuminen alueelle. Laajennusalueelle rakennettavien loppusijoitusalueiden sekä välivarastointi- ja käsittelykenttien osalta esitettiin vaihtoehtoja käytettävistä pohjarakenteista. Lisäksi käsiteltiin vesienhallinnan ja kaasunkeräyksen järjestämistä sekä alueen liikennejärjestelyjä. Lopuksi laskettiin käyttöaika laajennusalueelle hahmotellulle tavanomaisen jätteen loppusijoitusalueelle. Toteuttamalla uusi loppusijoitusalue tässä työssä hahmotellussa laajuudessa, mahdollistetaan tavanomaisen jätteen loppusijoittaminen pelkästään uudelle laajennusalueelle vähintään useiksi kymmeniksi vuosiksi. / The latest expansion of landfill area in Oulu Waste Management’s Rusko waste centre was constructed in 2010. Before the completion of Laanila’s municipal solid waste (MSW) incineration plant and Oulu Waste Management’s sorting arena (Lare), landfill capacity was estimated to run out in about eight years. The original plan of Oulu Waste Management was to construct a new waste centre to Punaisenladonkangas in Haukipudas. However, the plans were cancelled due to lack of zone plan and opposition from residents. Zoning process for expanding Rusko waste centre has been started in order to ensure the continuity of waste management in Oulu region. The aim of this master’s thesis was to prepare a general plan for the expansion of Rusko waste centre. In addition, a significant part of the thesis was to re-estimate the lifetime of landfill capacity in Rusko waste centre, before the expansion. Now that Laanila’s MSW incineration plant and sorting arena Lare are operative, the amount of landfilled waste has decreased significantly. The quality of landfilled waste has also changed to much less organic. In the beginning waste legislation in Finland and EU was briefly discussed. Also, National waste plan until 2016 and The regional waste plan for Oulu province were introduced. Waste taxation and restriction of landfilling organic waste (coming into force in 2016) were introduced as important matters in the field of waste management. In the early part of the thesis, landfill sealing structures, leachate management and collection of landfill gas were presented in general level. In the next part, arrangement of waste management in Oulu region, especially from Oulu Waste Management’s point of view was introduced. For the estimation of current landfill capacity’s lifetime (without expansion), the available landfill volume and landfilled waste amounts in the future were estimated. Current landfill capacity in Rusko waste centre can be increased by building more landfill area between construction waste’s old and current landfill areas. By filling the gap between these two landfills, 270 000 m³ or 690 000 m³ new landfill capacity can be gained, depending on the implementation. Amounts of waste landfilled in the future were estimated based on Oulu Waste Management’s statistics and interviews of Oulu Waste Management’s staff. Since it is impossible to get exact figures, also amounts of waste that would be less or more than expected were included in the estimation. Based on the lifetime estimation, it was found that even without new investments, the landfill capacity in Rusko waste centre will last for at least 15 years. By also filling the gap between construction waste sites, the landfill capacity even without expansion may last for over 100 years. For the expansion of Rusko waste centre, required facilities with their extent and location were planned in general level. Options for sealing structures usable in the landfill, treatment and storage areas were introduced. In addition, leachate management, landfill gas collection and traffic arrangements in the expansion area were discussed. Landfill capacity’s lifetime was also estimated in the expansion area of Rusko waste centre. With the size and shape of the landfill used as an example, the landfill capacity in only expansion area was estimated to last for at least several decades.

Portland cement was evaluated as a fixation agent for a South Florida toxic soil mixture containing Chromium and Arsenic. Metal extraction assessment focused timely patterns of: concentration, solid loadings, effective diffusivities, and leachability indexes for three scaled preparations and controls, following Atomic Absorption Spectrometry (A) on leachates and Scanning Electron Microscopy (SEM) matrix views. Fixation abated leaching Arsenic; released Chromium three folded Arsenic, yet non-toxic; sequential leaching and the EP toxicity test, rendered lower than 0.1 per cent, and less; year-round leaching matched the 24-hour EP test desorptions often. SEM suggested impact of diverse cement-soil matrices upon kinetics. Leaching Arsenic fitted a diffusion for semi-infinite particles, with initial lag. Correlated desorptions for Chromium, prescribed another model. Diffusion coefficients for Arsenic in weekly and monthly extractions, significantly overlapped. Adequacy of evaluated random error was confirmed by predicted observations. Cement detoxified the soils; no scaled preparation worked better than others tested.

abstract: Nitrate, a widespread contaminant in surface water, can cause eutrophication and toxicity to aquatic organisms. To augment the nitrate-removal capacity of constructed wetlands, I applied the H2-based Membrane Biofilm Reactor (MBfR) in a novel configuration called the in situ MBfR (isMBfR). The goal of my thesis is to evaluate and model the nitrate removal performance for a bench-scale isMBfR system. I operated the bench-scale isMBfR system in 7 different conditions to evaluate its nitrate-removal performance. When I supplied H2 with the isMBfR (stages 1 - 6), I observed at least 70% nitrate removal, and almost all of the denitrification occurred in the "MBfR zone." When I stopped the H2 supply in stage 7, the nitrate-removal percentage immediately dropped from 92% (stage 6) to 11% (stage 7). Denitrification raised the pH of the bulk liquid to ~ 9.0 for the first 6 stages, but the high pH did not impair the performance of the denitrifiers. Microbial community analyses indicated that DB were the dominant bacteria in the "MBfR zone," while photosynthetic Cyanobacteria were dominant in the "photo-zone". I derived stoichiometric relationships among COD, alkalinity, H2, Dissolved Oxygen (DO), and nitrate to model the nitrate removal capacity of the "MBfR zone." The stoichiometric relationships corresponded well to the nitrate-removal capacity for all stages expect stage 3, which was limited by the abundance of Denitrifying Bacteria (DB) so that the H2 supply capacity could not be completely used. Finally, I analyzed two case studies for the real-world application of the isMBfR to constructed wetlands. Based on the characteristics for the wetlands and the stoichiometric relationships, I designed a feasible operation condition (membrane area and H2 pressure) for each wetland. In both cases, the amount of isMBfR surface area was modest, from 0.022 to 1.2 m2/m3 of wetland volume. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Civil and Environmental Engineering 2014

abstract: Bioremediation of trichloroethene (TCE) using Dehalococcoides mccartyi-containing microbial cultures is a recognized and successful remediation technology. Our work with an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor has shown that high-performance, fast-rate dechlorination of TCE can be achieved by promoting bioflocculation of Dehalococcoides mccartyi-containing cultures. The bioreactor achieved high maximum conversion rates of 1.63 ± 0.012 mmol Cl- Lculture-1 h-1 at an HRT of 3.6 hours and >97% dechlorination of TCE to ethene while continuously fed 2 mM TCE. The UASB generated bioflocs from a microbially heterogeneous dechlorinating culture and produced Dehalococcoides mccartyi densities of 1.73x10-13 cells Lculture-1 indicating that bioflocculation of Dehalococcoides mccartyi-containing cultures can lead to high density inocula and high-performance, fast-rate bioaugmentation culture for in situ treatment. The successful operation of our pilot scale bioreactor led to the assessment of the technology as an onsite ex-situ treatment system. The bioreactor was then fed TCE-contaminated groundwater from the Motorola Inc. 52nd Street Plant Superfund site in Phoenix, AZ augmented with the lactate and methanol. The bioreactor maintained >99% dechlorination of TCE to ethene during continuous operation at an HRT of 3.2 hours. Microbial community analysis under both experimental conditions reveals shifts in the community structure although maintaining high rate dechlorination. High density dechlorinating cultures containing bioflocs can provide new ways to 1) produce dense bioaugmentation cultures, 2) perform ex-situ bioremediation of TCE, and 3) increase our understanding of Dehalococcoides mccartyi critical microbial interactions that can be exploited at contaminated sites in order to improve long-term bioremediation schemes. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Engineering 2015

abstract: Carbon dioxide (CO2) is one of the most dangerous greenhouse gas. Its concentration in the atmosphere has increased to very high levels since the industrial revolution. This continues to be a threat due to increasing energy demands. 60% of the worlds global emissions come from automobiles and other such moving sources. Hence, to stay within safe limits, it is extremely important to curb current emissions and remove those which have already been emitted. Out of many available technologies, one such technology is the moisture swing based air capture technology that makes use of resin material that absorbs CO2 when it is dry and releases it when it is wet. A mathematical model was developed to better understand the mechanism of this process. In order to validate this model, numerical simulation and experimentation was done. Once the mechanism was proved, it was seen that there are many factors and parameters that govern this process. Some of these do not have definite value. To find the best fit value for these parameters, an optimized fitting routine needs to be developed that can minimize the standard deviation of the error. This thesis looks into ways in which the optimization of parameters can be done and the possible future work by using substantial data. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Civil and Environmental Engineering 2016

abstract: The microbial electrochemical cell (MXC) is a novel environmental-biotechnology platform for renewable energy production from waste streams. The two main goals of MXCs are recovery of renewable energy and production of clean water. Up to now, energy recovery, Coulombic efficiency (CE), and treatment efficiency of MXCs fed with real wastewater have been low. Therefore, the overarching goal of my research was to address the main causes for these low efficiencies; this knowledge will advance MXCs technology toward commercialization. First, I found that fermentation, not anode respiration, was the rate-limiting step for achieving complete organics removal, along with high current densities and CE. The best performance was achieved by doing most of the fermentation in an independent reactor that preceded the MXC. I also outlined how the efficiency of fermentation inside MXCs can be enhanced in order to make MXCs-based technologies cost-competitive with other anaerobic environmental biotechnologies. I revealed that the carbohydrate and protein contents and the BOD5/COD ratio governed the efficiency of organic-matter fermentation: high protein content and low BOD5/COD ratio were the main causes for low fermentation efficiency. Next, I showed how a high ammonium concentration can provide kinetic and metabolic advantages or disadvantages for anode-respiring bacteria (ARB) over their competitors, particularly methanogens. When exposed to a relatively high ammonium concentration (i.e., > 2.2 g total ammonia-nitrogen (TAN)/L), the ARB were forced to divert a greater electron flow toward current generation and, consequently, had lower net biomass yield. However, the ARB were relatively more resistant to high free ammonia-nitrogen (FAN) concentrations, up to 200 mg FAN/L. I used FAN to manage ecological interactions among ARB and non-ARB in an MXC fed with fermentable substrate (glucose). Utilizing a combination of chemical, electrochemical, and genomic tools, I found that increased FAN led to higher CE and lower methane (CH4) production by suppressing methanogens. Thus, managing FAN offers a practical means to suppress methanogenesis, instead of using expensive and unrealistic inhibitors. My research findings open up new opportunities for more efficient operation of MXCs; this will enhance MXC scale-up and commercial applications, particularly for energy-positive treatment of waste streams containing recalcitrant organics. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Civil and Environmental Engineering 2016

abstract: Adenoviruses cause gastrointestinal illnesses and have been listed on the U.S. EPA’s Contaminant Candidate Lists (CCL). They are highly resistant to ultraviolet (UV) inactivation. Advanced oxidation processes (AOPs) are known to improve inactivation of microorganisms and simultaneously oxidize organics. The bacteriophage P22 was selected as a surrogate for adenoviruses due to their physical and genetic similarities. The main objective of this study was to compare the synergic disinfection potential of titanium dioxide (TiO2) or peracetic acid (PAA) with UV for viruses and bacteria in water. Both bench-scale and pilot-scale evaluation was done. A bench-scale collimated beam was included to evaluate the inactivation of P22 and E. coli by UV with and without TiO2 or PAA. A Purifics Photo-Cat system which is an integrated UV/ceramic membrane reactor was used for the pilot-scale TiO2-UV AOP experiments. For pilot-scale PAA-UV AOP experiments, an in-line D222 UV reactor unit provided by NeoTech Aqua Solutions, Inc. was used. TiO2 doses of 1, 10, and 40 mg/L were applied in the collimated beam and the Photo-Cat system. Higher TiO2 doses resulted in a higher inactivation in the Photo-Cat and lower inactivation in the collimated beam apparatus. Adding 40 mg/L of TiO2 in the photo-Cat system improved P22 inactivation by 25% while it slightly decreased P22 inactivation in collimated beam apparatus. PAA doses of 0.25 or 0.5 ppm were continuously injected upstream of the UV light and a 53% or 90% increase in inactivation was observed for E. coli, respectively, as compared to UV alone. However, P22 required higher dose with PAA-UV AOP and PAA concentrations of 1 or 10 ppm resulted in an 18% and 70% increase in the inactivation respectively, as compared to UV alone. Interestingly, when the same condition was applied to water with more organics (UVT 79%), E. coli exhibited the same level of susceptibility to PAA-UV AOP while P22 inactivation decreased. The results provide new insight on the effectiveness and applicability of adding AOP to UV for microbial inactivation in water. PAA-UV AOP can potentially enhance existing UV disinfection systems with minimal chemical addition, and a simple retrofit to existing UV units. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Civil, Environmental and Sustainable Engineering 2017

Porin alue on yksi Suomen merkittävimmistä tulvariskialueista ja Kokemäenjoen valuma-alue on yksi Suomen suurimmista valuma-alueista (27 000 km²), mikä lisää ajoittaisten suurien virtaaminen riskiä. Porin alueella tulvavaaraa lisää joen mukana kulkeutuvan kiintoaineen sedimentoituminen Porin alavan keskustan kohdalle ja suiston alueelle. Sedimentoitumisen lisäksi alueella on voimakasta eroosiota ja rantojen sortumia. Tämä tutkimus on osa vuonna 2003 aloitettua Porin tulvasuojeluhanketta. Työssä tutkittiin Kokemäenjoen Porin osuudella tapahtuvaa eroosiota ja sedimentaatiota. Työn aineistona oli vuosien 2010 ja 2014 viistokaikuluotaukset joen uomasta. Näiden aineistojen perusteella joki luokiteltiin eroosio-, sedimentaatio- tai neutraalialueeksi. Merkittävimmistä joen kohdista tehtiin poikkileikkauskuvat. Eroosioalueet sijaitsivat pääsääntöisesti tutkimusalueen ylävirran osuudella ennen Porin keskustaa, ja sedimentoitumisalueet olivat vastaavasti joen alavirran osuudella Porin keskustan kohdalla sekä Luotsinmäenhaarassa. Pääsääntöisesti virtaama, maaperämuodostuma ja uoman muoto vaikuttavat siihen, mitä joen eri osilla on tapahtunut ja tapahtuu tulevaisuudessa. Tutkimusalueella oli kaksi voimakkaan eroosion aluetta, joista toinen sijaitsi joen ylävirralla ja toinen alavirralla Luotsinmäenhaarassa. Voimakkaan eroosion alueella tapahtui yli 0,2 metriä eroosiota vuodessa. Voimakkaan eroosion jokiosioille on yhteistä se, että helposti erodoituva kerroksellinen hiekka-, siltti- ja savikerros oli esillä joen pohjalla. Kyseinen muodostuma vaikuttaa merkittävästi joen eroosioherkkyyteen. Eroosioalueilla joki on syvä, kapea ja mutkainen. Eroosioalueilla oli esillä pääasiassa savi- ja silttikerrostumia, jotka eivät lähde liikkeelle yhtä helposti kuin hiekkakerrostuma. Ylävirran kaarteisiin on muodostunut ajansaatossa jyrkkiä syvänteitä, joissa oli tutkimusajanjaksolla tapahtunut liukupintasortumia joen törmän kaltevuuden ylittäessä 30–35 astetta. Sedimentaatioalueelle oli laskeutunut hiekkaa neljän vuoden aikana enimmillään jopa metrin paksuudelta Luotsinmäenhaaraan alkuun. Jokea on ruopattu useamman kerran Porin keskustan kohdalta. Ruoppauksen jälkeen alueelle on kuitenkin jo sedimentoitunut hiekkaa niin paljon, että hiekan sedimentoituminen oli siirtynyt alavirralle päin Luotsinmäenhaaraan. Tutkimusaineistojen perusteella joessa havaittiin selvä rajavirtaama, jonka ylittyessä suspensiossa eli veden virtauksen mukana kulkeutuva kiintoainemäärä lisääntyi voimakkaasti. Tämä rajavirtaama oli 360 m³/s, mutta kyseinen raja-arvo ei huomioi pohjassa kulkeutuvaa kiintoainekulkeumaa. Suspensiossa kulkeutui 1/3 kokonaiskiintoainekuormasta ja vastaavasti pohjakulkeumana 2/3. Suspensiossa kulkeutuva kiintoainekuorma vuosien 2010 ja 2014 tarkastelujaksolla oli lähellä vuosille 2039–2069 ennustettua ilmastonmuutoksen aiheuttamaa kiintoainekuormaa. Tuloksien avulla voidaan ohjata ja parantaa Porin alueen maankäyttöä sekä tulvasuojelua. Porin kaupungin kaavoittamisratkaisuissa kannattaa huomioida, kuinka lähelle joen uomaa voidaan rakentaa. On syytä myös pyrkiä ennaltaehkäisemään joen uoman uusia sortumia alueilla, joissa tapahtuu selkeää eroosiota. Kokemäenjoella Porin keskustan alueella ruoppaaminen on tärkeää tulvasuojelun näkökulmasta, koska tulvan aiheuttamat hyyde- ja jääpadot muodostuvat helpoiten matalikoille. / Area at city of Pori is significant flood risk areas in Finland. The catchment area of the Kokemäenjoki river is one of Finland’s largest catchments (27 000 km²), which increases the risk of occasional high flows. At Pori, risk for flooding increases due to sedimentation to river channel at the city area and in the downstream deltas. Sedimentation and erosion affects the flow conditions and stability of riverbanks. In addition to the sedimentation also strong riverbed erosion and riverbank failures occurs regularly. This research is part of the flood protection project that started at Pori in 2003. The aim of this thesis was to study the sedimentation and erosion in the Kokemäenjoki river at the Pori area. Diagonal echo-sounding data from riverbed were used from years 2010 and 2014. Based on results, river was categorized as erosion, sedimentation or as neutral zone. Cross-sectional figures were made from the most significant parts. According to the results, erosion zones were situated mainly in the upstream before the centre of Pori and sedimentation areas, respectively, in the downstream portion of the river, as well as in Luotsinmäenhaara river branch. Sedimentation and erosion was mainly controlled by flow conditions, soil layers and shape of the river channel, which are also controlling future conditions and processes. In the study area, there were two strong erosion zones, one of which was located in the river upstream and one Luotsinmäenhaara river branch downstream. Erosion over 0.2 meters per year was observed. Strong erosion zones of river sections had easily erodible layered sand, silt and clay layer which allowed high erosion rates. Thus soil formation has significant impact on the erosion sensitivity at lower sections at Kokemäenjoki river. In the areas, which was categorise as erosion the river is deep, narrow and meandering occurs. Soil layers at erosion areas were featured mainly by clay and silt soils which are not as easily eroded as sand. These areas also contained steep slopes and deep basins to river bed, while critical slope for river bank collation as observed to be 30–35 degrees. Sedimentation zones are located mainly in the downstream from the centre of Pori and at the delta area, where the flow velocity is lower. During the research period of four years up to 1 meter sedimentation was observed at the beginning of Luostinmäenhaara river branch. The river has been dredged several times near to the centre of Pori. After the previous dredging, however, major sedimentation of sand has occurred. Results showed clear flow boundary for suspended sediment transport at flow rate of 360 m³/s, but it does not account bed load material. At suspension circa 1/3 of the total solid load was transported, whereas remaining 2/3 was transported as bed load. Suspended sediment load during the period between 2010 and 2014 was close to the forecasted loading for the years 2039–2069 caused by climate change. The results from this study can be used to control and improve the land use and flood protection of the Pori area. Extra care for planning is needed at Pori when constructed close to the river channel. Also erosion controlling area needed in areas with risk for new bank collapses. Dredging of Kokemäenjoki in the centre of Pori area is important in future to prevent local sedimentation and increased risk for flooding.