Cement production produces a significant portion of CO₂ emission caused by human activity. The replacing of cement with alternative binders is one way to reduce the CO₂ emission from cement industry and to save natural resources. In Finland, approximately 500 000 tons of biomass fly ash is created annually. Part of this ash could potentially be utilized as a cement replacement material if current concrete standards are modified to allow the use of biomass fly ash as a raw material of structural grade concrete, but even under current legislation biomass fly ash could be already utilized in low value concrete and mortar products or applications. In this study, the suitability of two biomass fly ash, from bubbling fluidized bed combustion, to partially replace cement in concrete was investigated. Cement was replaced also by milled sand to identify the effects of fine inert material. Replacement levels of 10%, 20% and 40% were used. Research methods included a grinding of materials, the preparation of mortar samples, evaluation of fresh mortar paste, strength measurements, calorimetry, electron microscopy, X-ray powder diffraction analysis and chemical analysis. Results of the study demonstrated, that replacement of cement by biomass fly ashes or milled sand had a clear impact on the properties of fresh and hardened mortar. Both fly ashes involved the hydration of cement instead of acting just as a filler material. The chemical composition and performance of two studied fly ash differed greatly from each other and indicated that at least part of biomass fly ashes could be very potential alternatives to replace significant amounts of cement in concrete. On the other hand, some biomass fly ashes can also cause detrimental expansion when used in concrete. / Sementin tuotanto on vastuussa merkittävästä osasta ihmiskunnan aiheuttamista CO₂ päästöistä. Sementin korvaaminen vaihtoehtoisilla sideaineilla on yksi keino pienentää sementtiteollisuuden CO₂ päästöjä sekä säästää luonnonvaroja. Suomessa syntyy vuosittain noin 500 000 tonnia lentotuhkaa biomassan poltosta. Osa tästä lentotuhkasta voitaisiin mahdollisesti hyödyntää sementtiä korvaavana raaka-aineena, mikäli nykyisiä betonistandardeja muutetaan tulevaisuudessa sallimaan myös biomassan poltosta syntyvät lentotuhkat betonin raaka-aineina. Nykyisessäkin tilanteessa biomassan lentotuhkaa voitaisiin hyödyntää matala arvoisissa betonituotteissa ja sovelluksissa. Työssä tutkittiin sementin osittaista korvaamista kahdella leijupoltosta peräisin olevalla biotuhkalla. Sementtiä korvattiin myös jauhetulla hiekalla eri vaikutusmekanismien selvittämiseksi. Tutkimuksessa käytettiin 10, 20 ja 40 % korvausasteita. Tutkimus metodit käsittivät materiaalien jauhamisen, kemiallisen koostumuksen analysoinnin, laastinäytteiden valmistamisen, tuoreen laastin ominaisuuksien arvioimisen, lujuusmittaukset, kalorimetrian, elektronimikroskopian sekä hydrataatiossa syntyneiden faasien määrityksen. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että sementin osittainen korvaaminen biomassan lentotuhkalla tai jauhetulla hiekalla vaikuttaa selvästi tuoreen sekä lujittuneen laastin ominaisuuksiin. Molemmat tuhkat vaikuttivat sementin hydrataatioon sen sijaan, että ne olisivat toimineet ainoastaan hienona täyteaineena. Tuhkien kemiallinen koostumus sekä vaikutukset valmistettujen näytekappaleiden ominaisuuksiin poikkesivat toisistaan huomattavasti. Tutkimuksen perusteella ainakin osa biomassa lentotuhkista voisivat korvata huomattavia osia betonissa käytettävästä sementistä. Jotkut lentotuhkista voivat puolestaan aiheuttaa betonin haitallista paisumista mikäli niitä käytetään sementtiä korvaavana ainesosana.

Peatlands drainage is known to increase nutrient leaching into downstream water systems and thus to deteriorate the status of natural water bodies. Drainage changes peatlands from nutrient and water accumulating systems to nutrient releasing catchment areas. This transformation happens due to lowering water table and changed runoff conditions. Deeper water table accelerates decomposing process and may expose nutrient rich peat layers during low discharge seasons, which can show up as elevated nutrient loads. Drainage may increase discharge rate trough peaks or as total discharge, which further can increase load by eroding nutrients from soil and by flushing the nutrients already present in ditch down to natural waters. There are few regional studies related to water impacts of drained peatlands with different land-use option. Load formation can be dependent on site-specific land management. The aim of this study was to analyse and compare water impacts of peatlands in agriculture, silviculture and peat extraction in relation to natural leaching from pristine mire. The studied sites are located in Northern Finland in Pelso (Vaala). To compare the studied sites, the nutrient (SS, DOC, Ptot, soluble PO4 and Ntot) and metal (Fe, Al, Mn) loads together with descriptive parameters (pH, EC, colour) were quantified with regular water samplings, continuous water level loggers and discharge measurements. Observation period was April-October. The effects of different land management on soil horizon and load formation were studied by analysing physical and chemical properties in each site. Based on the obtained results the nutrient load was higher from the drained areas compared to the pristine mire. The cultivated peatland had the highest daily loads of SS, Ptot, PO4, Fe and Al. Daily loads of Ntot, DOC and Mn were the highest in the peatland forest. From the drained sites, the peat extraction had the smallest loads. Loads from the pristine mire were the smallest. Determined soil characteristics reflected the implemented land management actions. High loads from the peatland forest, which have not been under silviculture actions, underlined the strong nutrifying impact of drainage itself. Observed loads were concentrated on high discharge season in August (high precipitation) and spring (snowmelt), which can be utilized in water protection work. The high nutrient load in the drained sites was originated from: a) increased discharge rates, b) altered hydrological and geochemical conditions and c) site-specific actions. In future, the effects if climate change on nutrient load could be studied with winter follow-up. / Turvemaiden kuivatuksen on yleisesti havaittu lisäävään ravinnekuormitusta alapuolisiin vesistöihin ja siten heikentävän vesistöjen tilaa. Luonnollisessa tilassa oleva turvemaa toimii ravinne- ja vesivarastona. Kuivatuksen myötä veden pinta laskee, mikä nopeuttaa turpeen hajoamisprosessia ja lisää ravinteiden liukoisuutta. Aleneva vedenpinta saattaa paljastaa ravinnerikkaita, syvempiä turvekerroksia ja johtaa kuormituksen lisääntymiseen pienen virtaaman aikaan. Virtaama turvemailta saattaa lisääntyä joko kasvavien virtaamahuippujen tai lisääntyvän kokonaisvirtaaman myötä. Lisääntynyt virtaama voi kasvattaa kuormaa huuhtomalla ravinteita ojaverkostoon turvepinnasta tai huuhtomalla ojaverkossa jo olevan ravinnekuorman alapuolisiin vesistöihin. Alueellisten tutkimusten määrä eri maankäyttömuotojen vaikutuksesta kuormituksen syntyyn kuivatuilla turvemailla on vielä pieni. Kuormituksen syntyyn voivat vaikuttaa maankäyttömuodosta riippuvat toimenpiteet. Tämän tutkimuksen tarkoitus on analysoida ja vertailla maatalouden, metsätalouden ja turvetuotannon vesistövaikutuksia turvemailla suhteessa kuormitukseen luonnontilaiselta suolta. Tutkimusalueet sijaitsevat Pohjois-Suomessa Pelson kylässä (Vaala). Ravinne- (kiintoaine, DOC, Ptot, liukoiset PO4 ja Ntot) sekä metallikuormat (Fe, Al, Mn) eri maankäyttömuodoilta määritettiin säännöllisten vesinäytteiden, jatkuvatoimisten pinnankorkeusmittareiden sekä virtaamamittausten avulla. Tutkimus toteutettiin huhti–lokakuussa. Tutkimusalueilla tehtyjen maanmuokkaustoimenpiteiden vaikutusta turpeeseen ja kuorman syntyyn tutkittiin määrittämällä turvenäytteistä kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Saatujen tulosten perusteella ravinnekuormitus oli suurempi ojitetuilta alueilta kuin luonnontilaiselta suolta. Turvemaatalous aiheutti suurimmat päivittäiset kiintoaine-, Ptot-, PO4-, Fe- ja Al-kuormat. Sen sijaan suurimmat päivittäiset Ntot-, DOC- ja Mn-kuormat mitattiin turvemetsätalousalueelta. Tutkituilta kolmelta kuivatulta turvemaalta, turvetuotanto aiheutti pienimmät ravinnekuormitukset. Kuormat luonnontilaiselta suolta olivat yleisesti kaikkein pienimmät. Turvemaan ominaisuudet (kuten tuhkapitoisuus ja fosforin fraktiot) heijastivat tehtyjä maanmuokkaustoimenpiteitä. Turvemetsätaloudessa olevalla tutkimusalueella ei kuivatusta ja sitä kautta metsittymistä lukuun ottamatta oltu tehty mitään metsätaloudellisia toimenpiteitä. Näin ollen korkeat kuormitukset turvemetsätaloudesta kertovat kuivatuksen voimakkaasta ravinnekuormaa lisäävästä vaikutuksesta. Mitatut kuormat keskittyivät korkeiden virtaamien aikaan elokuuhun (rankkasadetapahtuma) ja aikaiseen kevääseen (lumensulanta). Tätä tietoa kuorman ajoittumisesta voidaan hyödyntää vesiensuojelutyössä. Korkean ravinnekuormituksen ojitetuilta turvemailta aiheuttivat: a) lisääntynyt virtaama, b) muuttuneet hydrologiset ja geokemialliset olosuhteet turpeessa ja c) maankäyttömuodosta riippuvat toimenpiteet. Tulevaisuudessa ilmaston muutoksen vaikutuksia ravinnekuormitukseen voitaisiin tutkia talviseurannan avulla.

Tutkimuksen tarkoitus oli kartoittaa Östersundomin aluerakennuskohteen aurinkoenergian lämmönvarastointimahdollisuuksia sekä selvittää varastoinnin kustannukset ja ympäristövaikutukset. Östersundomin alue itäisessä Helsingissä on nykyisellään maaseutua, josta pyritään tekemään kaupunkialuetta. Alueen suunnittelussa on keskitytty uusiin, innovatiivisiin energiaratkaisuihin, jotka otetaan huomioon jo esirakennusvaiheessa. Osana alueen energiaratkaisuna pyritään toteuttamaan myös lämmönvarastointia, joka mahdollistaisi kesällä kerätyn aurinkoenergian käytön talvella, kun lämmitystarve on suurin. Työn tavoitteena oli selvittää lämpövarastoinnin potentiaalia Östersundomin alueella. Selvitys suoritettiin tutkimalla olemassa olevaa tietoa ja mallinnuksen avulla. Aiempi aiheen tutkimus on keskittynyt pääasiassa matalan lämpötilan varastoihin, kuten porakaivovarastoihin ja akviferivarastoihin, jotka tarvitsevat lämpöpumpun. Tässä työssä keskityttiin pääasiassa korkean lämpötilan varastoihin, joiden lämpöä voitaisiin käyttää suoraan lämmitykseen. Tutkimuksissa on selvitetty lämmönvarastoinnin vaikutuksia saveen. Tutkimuksista käy ilmi, että vaikutukset leikkauslujuuteen ja vesipitoisuuteen ovat pieniä. Suurin vaikutus varastoinnilla on saven painumiseen. Mallinnuksessa keskityttiin energiapaaluvarastoon Östersundomin savimaalla. Mallinnus toteutettiin COMSOL-Multiphysics -ohjelmalla, jonka avulla rakennettiin useita malleja energiapaalusta. Mallien avulla selvitettiin, että paras putkikonfiguraatio lämmönvarastoinnin kannalta on W-putki, jonka tilavuusvirtaus on 0,324 m³/h. Mallinnuksesta kävi myös ilmi, että saven lämmönjohtavuudella on suuri vaikutus varaston toimintaan. Mallin pohjalta varaston toiminta tehostuu ensimmäisistä sykleistä. Kymmenennellä syklillä paalun tehokkuus oli 11 % parempi kuin neljällä ensimmäisellä syklillä. Mallinnuksessa tutkittiin myös energiapaalun toimintaa osana kaukolämpöverkkoa. Yksittäinen energiapaalu ei pystynyt kymmenen syklin aikana nostamaan saven lämpötilaa riittävästi. Yhdeksän energiapaalun yhteisvaikutusta kuvaavasta mallista kävi ilmi, että energiapaaluvarastolla on mahdollista yltää tavoiteltuun 70 °C lämpötilaluokkaan, ja varastolla saadaan lämmitettyä kaukolämpöverkon paluuvettä. Mallin pohjalta laskettiin myös energiapaaluvaraston alustavat investointikustannukset. Energiapaalun kustannukset ovat noin 2000 € suuremmat paalua kohti kuin normaalissa paalutuksessa. Verrattuna teräsakkuun energiapaaluvaraston kustannukset suhteutettuna lämpömäärään ovat moninkertaiset. Varastoinnin ympäristövaikutukset ovat hyvin vaikeita arvioida. Alueen rakennettavuudelle ei varastoinnista mallin perusteella ole esteitä. Varaston lämpöhäiriö ulottuu noin 50 m päähän varastosta, joten sen reuna tulee sijoittaa tarpeeksi kauan saven muutoksille herkistä kohteista. Jatkotutkimuksissa tulee teettää kattava geologinen tutkimus alueesta, sillä saven ominaisuuksilla ja pohjaveden virtauksilla on suuri merkitys varastointiin. Lisäksi mallin tulokset tulee todentaa kenttätutkimuksin. Myös mallia tulisi laajentaa kattamaan useita kymmeniä energiapaaluja, jolloin varaston yhteisvaikutuksista saadaan parempi kuva. / The aim of this research was to research the possible heat storage solutions for the housing scheme of Östersundom and to determine the costs and environmental impacts of the storage. The area of Östersundom is located in eastern Helsinki. At its present state it is largely countryside, but the aim is to build it into a city. New, innovative energy solutions have been a main focus in planning the area. Solar energy is a big part of the planned energy solutions of the area. Seasonal heat storage is also a part of the planned solar energy production. Seasonal heat storage would make solar energy collection more feasible, as energy could be used during the winter, when the demand for energy is the highest. The research was conducted partly by assessing past research and partly by modelling the operation of a heat store. The previous research focused mostly on low temperature heat storages, the operations of which require a heat pump. In this research the focus was on high temperature heat storage technologies where the heat from the store can be directly used in heating. Past research has been made in order to determine the effects of heat storage on clay. The effects on shear strength and water content are minor. The most notable effect on clay is the settlement inside the store. The modelling part of the research was focused on a heat store consisting of energy piles in the clay areas of Öster-sundom. The modelling was done by using COMSOL-Multiphysics to create models of energy piles for the conditions of östersundom. Using the models it was determined, that the ideal pipe configuration for heat storage is a W-pipe with a flow of 0,324 m³/h. It was also determined that the heat conductivity of clay has a significant effect on the storage. The model also showed that the operation of the pile improves after the first cycles. The efficiency of the pile is 11 % in the 10th cycle than it is in the first four cycles. Another model was created in order to examine the performance of an energy pile in the district heating system. A single pile was not able to produce enough heat for the district heating network in ten cycles. The model consisting of nine energy piles showed that the combined effect of the piles in the district heating network was able to heat the clay to the targeted temperature class of 70 °C. The model also confirmed that energy piles can be used to store heat for the district heating system. Using the modelling results, preliminary cost analysis of the energy pile store was made. The expenses of the energy pile are about 2000 € larger for a single pile than in normal foundations. Compared to a steel tank store the cost of stored energy per unit of heat is a lot larger. The environmental effects of heat storage are hard to determine. Heat storage causes no restrains for the construction of the area. The heat disturbance of the store reached 50 m from the edge of the store. The store has to be placed an adequate distance away from areas, in which a slight disturbance in the clay can have consequences. Further research is needed to determine the feasibility of heat storage in energy foundation in Östersundom. A comprehensive geological study is needed because the properties of the clay and groundwater flows have a significant effect on heat storage. The model should also be certified by field experiments. The model should also be expanded to cover more energy piles, as the combined effects would give better estimates on the performance of energy foundations.

Diplomityön tavoitteena oli perehtyä infrarakentamisen geotekniseen suunnitteluun, ja selvittää, miten sitä voitaisiin kehittää siten, että suunnitteluprosessi noudattaisi mahdollisimman kattavasti tietomallinnuksen periaatteita. Työssä haastateltiin väylä- ja geosuunnittelijoita nykyisen suunnitteluprosessin ongelmakohdista, sekä tietomallinnuksen soveltumisesta geotekniseen suunnitteluun. Tutkimuksen keskeinen osa oli ohjelmistovertailu VR Track Oy:ssä käytettävien suunnittelu- ja geolaskentaohjelmistojen (Tekla Oyj:n Tekla Civil, Vianova Systems Finland Oy:n Novapoint ja GeoCalc, sekä GEO-SLOPE International Oy:n GeoStudio) välillä, jossa tavoitteena oli selvittää, miten ne soveltuvat tietomallipohjaiseen suunnitteluun. Työn aikana perehdyttiin myös VR Track Oy:n hankkeisiin, jossa on käytetty tietomallinnuksen kaltaisia työmenetelmiä. Lisäksi työssä tarkasteltiin Geologian tutkimuskeskuksen avoimen pohjatutkimusrekisterin soveltuvuutta tukemaan tietomallipohjaista suunnittelua. Geotekninen suunnittelu on toistaiseksi toteutettu dokumenttipohjaisilla menetelmillä, joka aiheuttaa lukuisia ongelmia liittyen mm. tiedonsiirtoon, hankkeiden tiedonhallintaan sekä koko kohteen elinkaaren (suunnittelu, rakentaminen ja ylläpito) tehokkuuteen. Tiedon siirtyessä suunnittelijalta tai projektin vaiheelta toiselle, tapahtuu helposti informaatiokatkoksia, joista seuraa mm. virheitä suunnitelmissa. Kokonaisuuden tiedonhallinta on työlästä suunnitelmien ollessa hajallaan lukuisissa erillisissä dokumenteissa. Lisäksi kaksiulotteiset, ei-älykkäät suunnitelmadokumentit eivät ole tehokkain tapa kommunikoida kohteen suunnittelun, toteuttamisen ja ylläpidon sekä tilaajan välillä. Infrasuunnittelijoiden haastattelussa käytettiin puolistrukturoitua haastattelumenetelmää, joka soveltuu tutkimuksiin, joissa selvitetään haastateltavan henkilön subjektiivisia kokemuksia tutkimuksen kohteesta. Vastausten analysointi perustui teorialähtöiseen sisällönanalyysiin, jossa analyysi pohjautuu johonkin olemassa olevaan malliin tai teoriaan, joka kuvaillaan tutkimuksessa. Keskeiseksi ongelmaksi tietomallipohjaisessa geoteknisessä suunnittelussa havaittiin geolaskentaohjelmistojen rajoitteet. Nykyisellään tarkastellut geolaskentaohjelmistot eivät mahdollista lainkaan ohjelmistoriippumattoman Inframodel-tiedonsiirtoformaatin käsittelyä, joka on keskeinen osa tietomallinnusta. Tämän vuoksi tietomallipohjaisessa suunnitteluprosessissa käytettävän tiedonsiirtoformaatin suhteen tuli tehdä kompromissi ja keskittyä työssä selvittämään suunnitteluohjelmistojen ominaisuuksia, joita geotekninen suunnittelija voisi hyödyntää tietomallipohjaisessa suunnittelussa. Hanketarkasteluista ja pohjatutkimusrekisterin tarkastelusta ei saatu tuloksia, joita voitaisiin sellaisenaan hyödyntää tietomallipohjaisen suunnitteluprosessin kehittämisessä rakentamissuunnitteluvaiheessa. Sen sijaan kyseisten hankkeiden työmenetelmiä voidaan hyödyntää aiempien suunnitteluvaiheiden (esimerkiksi yleissuunnitteluvaihe) kehittämisessä. Geologian tutkimuskeskuksen avoin pohjatutkimusrekisteri vaatii vielä kehitystä erityisesti kattavuuden osalta, mutta sen myötä siitä voidaan saada hyvä rakentamissuunnittelua tukeva tietokanta. Rekisterin soveltuvuus eri suunnitteluvaiheisiin tulisi kuitenkin testata esimerkiksi pilottihankkeessa. Suurimpien infranhaltijoiden siirtyessä käyttämään tietomallipohjaisia hankintamenetelmiä, tulisi VR Track Oy:ssä varmistaa kehityksen mukana pysyminen implementoimalla tietomallinnusta myös geotekniseen suunnitteluun. Geolaskentaohjelmistoissa on vielä merkittäviä rajoituksia, mutta osapuolten (konsulttitoimistot ja ohjelmistotoimittajat) välisellä yhteistyöllä nämä rajoitukset ovat poistettavissa. Lisäksi VR Track Oy:n tietomallistrategiaan tulisi myös jatkossa kuulua valmius useamman kuin yhden ohjelmistotoimittajan tuotteiden käyttöön suunnitteluhankkeissa. Tällä varmistetaan mahdollisimman laaja-alainen osaaminen suunnittelun eri sektoreilla, sekä kilpailukyvyn säilyttäminen tulevaisuudessa. / Target of this thesis was to explore the geotechnical design of infrastructure construction, and find out how it could be developed so that the design process would obey the principles of infrastructure information modeling as comprehensively as possible. Railway and geotechnical designers were interviewed about the problematics of design process and the applicability of infrastructure information modeling in geotechnical design. A key issue of the research was a software comparison between the design and geotechnical calculation software products used in VR Track Ltd (Tekla PLC’s Tekla Civil, Vianova Systems Finland Ltd’s Novapoint and GeoCalc, and GEO-SLOPE International Ltd’s GeoStudio), where the purpose was to find out, how suitable they are in infrastructure information model based design. Within the research, also VR Track Ltd’s projects using methods similar to infrastructure information modeling were explored. Additionally, the applicability of the ground survey register maintained by Geological Survey of Finland to support infrastructure information model based design, was observed. For the present, geotechnical design has been conducted with document based methods, which causes several problems regarding inter alia data transfer, projects’ data management, and efficiency in the life cycle (design, construction and maintenance) of the product. While the data is transferred between designers and design phases, information breaks occur easily, which is followed by inter alia errors in designs. The data management is hard, when the designs are scattered in several separate documents. Additionally, two-dimensional, non-intelligent design documents are not the most efficient methods to communicate between the design, construction and maintenance phases of product and the customer. In the interviews of designers, half-structured interviewing method was used, which is applicable in research, where the subjective experiences of the interviewee about the target of research are explored. Analyzing the answers was based on theory-based content analysis, where the analysis is founded on an existing model or theory, which is described in the research. Key problem in infrastructure information model based geotechnical design was discovered to be the restrictions of geotechnical calculation softwares. For the present, geotechnical calculation softwares do not enable processing software-independent data transfer format (Inframodel), which is a vital part of infrastructure information modeling. Therefore a compromise regarding the used data transfer format in infrastructure information model based process was made. Because of this, the focus of the software comparison was set to find out the features in design softwares, which a geotechnical designer could utilize in infrastructure information model based design. In the case observations there were no results, which could be utilized in the raw in order to develop the infrastructure information model based design process. Instead, the methods used in those projects can be utilized in developing the previous design phases (for example schematic design phase). The open ground survey register maintained by Geological Survey of Finland still requires development, but has potential to become a good register to support the construction design phase. While the greatest owners of infrastructure are switching to use infrastructure information model based procurement methods, VR Track Ltd should ensure the technological development by implementing infrastructure information modeling also in geotechnical design. There are still great restrictions in geotechnical calculation softwares, but with cooperation of both parties (consultancies and software houses) these restrictions can be removed. Additionally, VR Track Ltd’s infrastructure information model strategy should also in future include ability to use more than one design software. This ensures as wide know-how in separate sectors of design, and maintaining the competitiveness in future.

Water and energy resources are crucial topics on the current European political agenda. At the same time, there is no coherence between the two sectors in terms of legislation: both on EU and national levels, such as Finland. This thesis aims to underline a potential for utilization of renewable energy sources in the Finnish water industry. In the theoretical part, overview of water services in the Northern Periphery Region (Finland, Norway, Scotland, Northern Ireland and Ireland) is provided. In addition, financial mechanisms for renewable energy support as well as Public-Private Partnerships, as a tool for better implementation of renewable energy solutions in the water industry, are discussed. Renewable energy technologies tend to be utilized according to the countries’ geographical conditions and energy polices. Among the common renewable energy solutions are wind, solar, hydropower and bioenergy. As a tendency, the Northern Periphery Region is gradually implementing renewable energy generation in the water industry to a greater degree. At present, water assets are the most utilized in terms of renewable energy generation in Ireland and Scotland. Northern Ireland and Norway can be put second place in this sense. In Finland, heat recovery and anaerobic digestion are employed. But there is still unused potential in the implementation of hydropower, solar and wind energy in the water industry. To utilize it, some improvements in the communication between Finnish water and energy companies should be done. With regards to the economic mechanisms of support, currently, there are six support schemes applied, which are described for each country. These are: subsidies, feed-in tariffs, quota programmes, tax relief schemes, loans and crowdfunding. As to Public-Private Partnerships, they are developing differently in the countries. Scotland, Northern Ireland and Ireland are the most experienced with this tool. Both in Norway and Finland, this model of collaboration is rather new and needs more time to get adopted. In the experimental part, best practices of renewable energy generation in the water sector are described. In this context, the best practices are examples of in situ utilization of unused or hidden opportunities for renewable energy generation. In addition, the Finnish water legislation is analysed in terms of existing legislative and organizational obstacles which hinder communication between the water and energy sectors and, consequently, the implementation of renewable energy sources in the Finnish water industry. Many of the issues stem from EU legislation; both EU and national policies are more focused on environmental issues such as water quality, scarcity, pollution and protection rather than on the water-energy nexus. As an outcome of this thesis, policy recommendations to promote the implementation of renewable energy sources in the Finnish water industry and utilize unused potential of water assets are given. There are three levels of the recommendations considered: European, regional and national. On a European level, it is recommended to use comprehensive environmental approach, create roadmaps, support research and development; bring awareness, introduce ecolabelling and certification schemes to create visibility; describe economic benefits of renewable energy implementation in the water industry; and enhance the work of the public sector for better integration of the water-energy policies. On a regional level, support regional and transboundary cooperation is suggested. Finally, on a national level, it is proposed to develop a long-term strategy, increase national renewable energy targets; carry out economic analysis, develop new financial support mechanisms, improve pricing schemes; improve communication between public companies and municipalities; regulate intersectoral ownership and bill payment issues; and develop regional, locally oriented solutions within the water-energy nexus. All these policy recommendations should be consolidated in the legislation and have enough political support. Only if these conditions are met is possible to expect some favorable results with practical implementation in Finland. This work was done as part of the Water Asset Renewable Energy Solutions (WARES) project financed by the Northern Periphery Programme (NPP) during 2012–2014. NPP is a European Regional Development Funding instrument and it involves remote communities of Northern Europe and aims to facilitate its sustainable development with related social, economic and environmental benefits. / Euroopan poliittisessa agendassa vesi- ja energiaresurssit ovat ratkaisevan tärkeitä aiheita tänä päivänä. Samaan aikaan nämä kaksi sektoria eivät ole lainsäädännöllisesti yhtenäisiä Euroopan Unionin tasolla, eivätkä myöskään kansallisesti, varsinkaan Suomessa. Tässä diplomityössä pyritään tähdentämään uusiutuvien energialähteiden hyödyntämispotentiaalia suomalaisen vesitoimialan piirissä. Teoriaosiossa luodaan yleiskatsaus Pohjoisen Periferian alueen (Suomi, Norja, Skotlanti, Pohjois-Irlanti ja Irlanti) vesihuoltoon. Tässä yhteydessä esitellyt parhaat käytännöt ovat esimerkkejä paikan päällä hyödynnettävistä käyttämättömistä tai piilevistä mahdollisuuksista uusiutuvan energian tuotantoon. Lisäksi käsitellään uusiutuvan energian taloustukimekanismeja ja julkis-yksityis-kumppanuuksia työkaluna uusiutuvien energiaratkaisujen paremmassa käyttöönotossa vesitoimialalla. Uusiutuvia energiateknologioita tyypillisesti hyödynnetään eri valtioiden maantieteellisten mahdollisuuksien ja energiapolitiikan mukaisesti. Yleisiin uusiutuvan energian ratkaisuihin kuuluvat tuuli-, aurinko- ja vesivoima, sekä bioenergia. Pohjoisen Periferian alueen vesitoimialalla on suuntauksena asteittain lisätä uusiutuvan energian tuotantoa. Tällä hetkellä uusiutuvan energian potentiaalia hyödynnetään eniten Irlannissa. Skotlanti, Pohjois-Irlanti ja Norja sijoittuvat tässä mielessä toiseksi. Suomella on useita haasteita uusiutuvaa energiaa hyödyntävien teknologioiden käyttöönotossa vesitoimialalla ja se on tällä hetkellä jäänyt kauaksi muista. Tarkastelualueen maissa on tällä hetkellä käytössä kuusi erilaista taloustukimekanismia jotka tässä työssä esitetään jokaiselle maalle. Ne ovat tuet, syöttötariffit, kiintiöohjelmat, verovähennys, lainat ja joukkorahoitus. Julkis-yksityis-kumppanuudet kehittyvät tarkastelluissa maissa eri tavoin. Kokeneimpia näiden kumppanuuksien hyödyntämisessä ovat Skotlanti, Pohjois-Irlanti ja Irlanti. Norjassa ja Suomessa tämä yhteistyömalli on uusi ja vaatii aikaa kehittyäkseen. Kokeellisessa osassa Suomen vesilainsäädäntöä analysoidaan olemassa olevan lainsäädännön ja organisatoristen esteiden kautta, jotka vaikeuttavat tiedonvälitystä vesi- ja energiasektoreiden välillä ja siten edelleen uusiutuvien energialähteiden hyödyntämistä Suomen vesitoimialalla. Sekä Euroopan Unionin, että eri maiden politiikka keskittyy enemmän ympäristöasioihin, kuten veden laatuun, niukkuuteen, saastumiseen ja suojeluun, kuin vesi–energia-yhteyteen. Tämän diplomityön lopputuloksena annetaan poliittisia suosituksia uusiutuvien energialähteiden käytön edistämiseen Suomen vesitoimialalla ja käyttämättömien uusiutuvan energian potentiaalin hyödyntämiseen. Suosituksia annetaan eurooppalaisella, alueellisella ja kansallisella tasolla. Euroopan tasolla on suositeltavaa käyttää kokonaisvaltaista ympäristölähestymistapaa, luoda niin kutsuttuja tiekarttoja, tukea tutkimusta ja kehitystä; lisätä tietoisuutta, esitellä ympäristömerkintöjä ja varmentamisjärjestelmiä näkyvyyden parantamiseksi; kuvata uusiutuvan energian käyttöönoton hyötyjä vesitoimialalla taloudellisesta näkökulmasta; sekä tehostaa julkisen sektorin toimintaa vesi–energiapolitiikan integroinnissa. Alueellisella tasolla esitetään tukea alueelliselle ja rajat ylittävälle yhteistyölle. Kansallisella tasolla ehdotetaan pitkän aikavälin strategian kehittämistä, kansallisten uusiutuvan energian tavoitteiden kasvattamista; taloustarkastelujen tekemistä, uusien taloustukimekanismien kehittämistä, hinnoittelujärjestelmien parantamista; julkisten yritysten ja kuntien välisen tiedonvälityksen sekä vertikaalisen kommunikaation ja yhteistyön kehittämistä; intersektoraalisen omistajuuden ja laskunmaksuasioiden säätelyä; sekä alueellisten paikallispainotteisten ratkaisujen kehittämistä vesi–energia-yhteydessä. Kaikki nämä poliittiset suositukset tulisi vahvistaa lainsäädännässä ja niillä tulee olla riittävä poliittinen tuki. Ainoastaan silloin kun nämä ehdot täyttyvät, on mahdollista odottaa suotuisia tuloksia ja toimivaa toteutusta Suomessa. Tämä työ on tehty osana ”Water Asset Renewable Energy Solutions (WARES)” -projektia, jonka on rahoittanut Pohjoinen Periferia -ohjelma vuosina 2012–2014. Ohjelmaan kuuluu Pohjois-Euroopan syrjäisiä yhteisöjä ja tarkoituksena on edistää näiden alueiden kestävää kehitystä.

Elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskukset (ELY) edistävät alueillaan vesistöjen kunnostusta. Maa- ja metsätalousministeriö (MMM) jakaa ELY-keskuksille vuosittain valtion tulo- ja menoarvion mukaisesti rahoitusta kalataloudellisten kunnostushankkeiden toteuttamiseen. Kunnostuskohteiden ja -hankkeiden tärkeyttä arvioidaan etukäteen, jotta rahoitus kohdentuisi oikein. Tätä tarkastelua varten tarvitaan arviointi- ja luokittelumallia, jota kehitettiin tässä työssä. Kunnostushankkeiden arviointi- ja luokittelumalli kehitettiin Pohjois-Pohjanmaan ja Kainuun virtavesien kalataloudellisen kunnostusohjelman laatimisen yhteydessä. Tavoitteena oli kehittää mallista laajemmin sovellettava ja hyödynnettävä, ei pelkästään Pohjois-Pohjanmaan ja Kainuun olosuhteisiin sopiva. Mallin avulla kunnostushankkeita arvioitiin ja luokiteltiin kunnostustarpeen, kalataloudellisten vaikutusten, kunnostuksesta saatavien hyötyjen sekä hyötyä laskevien tekijöiden määrän ja laadun perusteella. Mallin laskemaa kokonaispistemäärää lisäsivät kohteen morfologia, kunnostustarve, vaeltavien ja paikallisten lohikalojen elinympäristöjen eli habitaattien määrän kasvaminen ja laadun paraneminen sekä nahkiaisen, ravun tai jokihelmisimpukan elinolosuhteiden paraneminen. Kokonaispistemäärää alensivat kunnostuskohteen sijainti suhteessa alueen esteellisyyteen (padot, vaellusyhteyden puuttuminen), kunnostustoimenpiteen heikko tuotos/panos -suhde ja alueen heikko vedenlaatu. Kunnostustarvetta arvioitiin aiemman tutkimustiedon ja asiantuntija-arvion perusteella sekä sidosryhmäkyselyn avulla. Arviointi- ja luokittelumalli laski hyödyt ja haitat yhteen, jolloin tulokseksi saatiin kokonaispistemäärä, jonka mukaan kunnostuskohteet voitiin luokitella. Mallitarkastelussa ja kunnostuskohteiden luokittelussa käytettiin esimerkkivesistönä Oulujoen vesistöaluetta. Mallitarkastelun ja luokittelun tuloksena kunnostuskohteet jakaantuivat kokonaispistemäärien mukaan kolmeen kategoriaan. Alueellisessa kunnostusohjelmassa I-kategoriaan sijoittui kaikkiaan 48 kunnostuskohdetta (20,43 %), kun vastaava luku Oulujoen vesistön osalta oli 28 (18,06 %). Tässä työssä koottua arviointi- ja luokitteluaineistoa on mahdollista jatkossa täydentää, jolloin tulosten luotettavuus ja kattavuus paranevat sekä kohteiden vertailtavuus helpottuu ja yksinkertaistuu. Malli soveltuu hyödynnettäväksi laajemminkin erilaisiin virtavesien kunnostuskohteisiin ja olosuhteisiin. / Centres for Economic Development, Transport and the Environment (ELY Centres) are promoting the restoration of waters in their areas of response. The Ministry of Agriculture and Forestry (MAF) finances the restoration of running waters via ELY -Centres by the annual budget of the state. The importance of restoration targets and restoration projects are assessed beforehand so that the financing would focus right. In this thesis it is developed an evaluation model, which is needed for the assessment. The assessment and classification model of restoration projects was developed when preparing a restoration program for running waters of North Ostrobothnia and Kainuu areas. With the help of the model the restoration projects were assessed and classified on the basis of restoration needs, impacts for fisheries value, biological and ecological effects, advantages to be obtained from the restoration and factors that may reduce advantages. The score calculated by the model was increasing because of morphological needs, the growth of the potential areas of migrating and local salmonid habitats, the improvement of the habitat quality and the improvement of the lamprey’s, crayfish’s or river pearl mussel’s habitat. The score was decreasing because of the location of the restoration target in relation to the incapacity of the area (the dams and other migration blocks), weak results of restoration measures (output / input ratio) and poor water quality in the drainage basin. The restoration needs were assessed on the basis of earlier exploring studies and research results, expert evaluation and with the help of the inquiry made to stakeholders. The assessment model counted the advantages and drawbacks to a final score when it was possible to classify the restoration targets. The Oulujoki watershed was used as an example in the model examination and the classification of restoration targets. The restoration targets were divided according to the aggregates into three categories as a result of a model examination and classification. In a regional restoration program in the category I altogether 48 restoration targets (20.43%) were placed when the corresponding figure for the water system of Oulujoki was 28 (18.06%). It is possible to supplement in the future evaluation and classification material that has been collected in this work in which case the reliability and scope of the results improve and the comparability of targets is facilitated and becomes more simply. The model is suitable for to be also more widely utilised to the different restoration targets and conditions of rivers.

Nykyään 1960-luvulla käytetyt lammikkopuhdistamot edustavat vanhaa jätevesien puhdistustekniikkaa ja ympäri Suomen lammikoita on korvattu puhdistamouudistuksilla ja pintavalutuskentillä tai ne on suljettu. Tämän diplomityön tutkimusaiheena oli selvittää Taivalkoskella jätevesipuhdistamon lähistöllä sijaitsevan luonnontilaisen suon soveltuvuutta jätevesien jälkikäsittelyyn käytettäväksi pintavalutuskentäksi. Lisäksi työssä kartoitettiin puhdistamon alueella sijaitsevan kolmiosaisen lammikkopuhdistamon vaihtoehtoisia uusiokäyttömahdollisuuksia. Tutkimustulosten perusteella voidaan arvioida sekä kosteikon soveltuvuutta pintavalutuskentäksi että lammikoiden käyttömahdollisuuksia tulevaisuudessa. Työn keskeisinä aiheina olivat typen poiston tehostaminen kylmissä oloissa ja luonnonmukaisten menetelmien hyödyntäminen jäteveden jälkikäsittelyssä Taivalkoskella. Luonnonsuon soveltuvuutta pintavalutuskentäksi arvioitiin perustutkimuksilla, joihin kuuluivat tulevan kentän kaltevuuden, turvepaksuuksien, hydraulisen johtavuuden, huokoisuuden, maatuneisuusasteen ja kasvillisuuden määrittäminen. Tutkimustulokset ja niistä saadut mitoitusarvot olivat vastaavanlaiset ja samaa suuruusluokkaa kuin pohjoisessa sijaitsevien Kompsansuon ja Rukan pintavalutuskenttien mitoitusarvot. Lammikkopuhdistamon soveltuvuutta uusiokäyttöön ja eri käyttötarkoituksiin arvioitiin lammille tehtyjen perusmittauksien avulla. Näihin perusmittauksiin lukeutuvat lampien happipitoisuuksien määrittäminen talviaikaan, sedimenttinäytteiden otto sekä pohjasedimentin määrän ja lammikoiden pohjankorkeuksien määrittäminen. Lisäksi lammikoiden toimintaa arvioitiin tilastollisin menetelmin velvoitetarkkailun vesinäytteiden perusteella pitkäaikaisen toiminnan näkökulmasta vuodesta 1990 vuoteen 2008, ja nykyisen toiminnan näkökulmasta ajanjaksolla 2010–2012. Vuonna 2008 Taivalkoskella tehtiin puhdistamouudistus. Lisäksi lammikoiden kesä- ja talviajan toimintaa analysoitiin tilastollisesti. Lammikoiden pohja-sedimenttinäytteiden osalta todettiin pienimmän lammikon sisältävän kohtuullisen paljon haitta-aineita. Tilastollisen analyysin perusteella lammikot puhdistavat typpeä hyvin kesäaikaan, mutta samalla kiintoaineiden vapautuminen pohjasedimenteistä heikentää Iijokeen johdettavan veden laatua. Tulosten perusteella todettiin, että kohdealueella sijaitseva kosteikko soveltuu pintavalutuskentäksi. Saatuja mittaustuloksia verrattiin elinkeino- liikenne- ja ympäristökeskuksen asettamiin pintavalutuskentän suositusarvoihin. Lammikkotulosten perusteella lammille luotiin viisi erilaista jatkotoimenpidevaihtoehtoa. Suotuisimmaksi vaihtoehdoksi nousi vaihtoehto, jossa ensimmäinen lammikko kunnostetaan esiselkeytysaltaaksi, toinen lammikko kasvipeitteiseksi vapaan vedenpinnan kosteikoksi ja kolmas lammikko pintavalutuskentän tapaiseksi kasvillisuuskentäksi. Toisen ja kolmannen lammikon väliin on suositeltu hapettavan ilmastuspadon rakentamista. Ehdotettu vaihtoehto on edullinen, pienentää pinta-alakohtaista haitta-ainekuormitusta ja pidentää viipymäaikaa, jolloin myös typen poisto paranee. Lisätutkimuksena olisi tärkeä seurata kuinka ehdotettu systeemi käytännössä toimii ympäri vuoden, ja mitkä ovat sen todelliset puhdistustulokset eri vaiheiden jälkeen. / Popular pond systems built in 1960’s have been seen as an old technic to treat wastewater and nowadays they are replaced by investments of wastewater plant or by using treatment wetlands, or they are closed. This master thesis discovers the possibility of usage of nearby wetland in Taivalkoski to perform as a tertiary treatment wetland for household wastewater. In addition an old tree-parted pond system in the wastewater plant yard was investigated. The aim of investigations was to discover possible future use and value of the pond system. Due to investigation results it is possible to determine whether natural swamp is able to perform as tertiary wastewater treatment wetland. The purpose of this thesis is all together to find options to improve the effectiveness of tertiary treatment of wastewater in Taivalkoski. Main issues discussed are the effectiveness of nitrogen removal in cold conditions and the use of natural wastewater purification processes. Natural swamp near wastewater plant was investigated with basic measurements. Those basic measurements include the measurements of slope, thickness of peat, hydraulic conductivity, porosity, decomposition rate and flora. Measured values of wetland site are similar to values measured in Ruka and Kompsansuo treatment wetlands in northern Finland. Basic measurements were made also for ponds. Measurements included oxygen measurements during winter time, sediment analysis, thickness of sediment layer in the bottom of the pond and location and height of bottom. In addition, statistical analysis of operation of pond was made in the view of longer and shorter term. In addition winter and summer operation of ponds was analyzed statistically. Measured data was gathered from the annual water samples. Results show that only smallest pond has a moderate amount of harmful substances. Statistical analysis and measurements show that during summer time nitrogen removal in ponds increases. At the same time also solid substances release from the sediment layer and that decreases the quality of treated water. According to the results natural wetland near treatment plant can be used as a tertiary wastewater treatment wetland. Measured results were compared to typical values of Finnish treatment wetlands. According to pond results and analysis, five options were created for usage of old ponds. The most relevant option is option, which is combination of pre-treatment pond, vegetation field and treatment wetland. This option is innovative, cheap and it decreases the surface loading of wetlands and increases the detention time of wastewater in the process. Smaller loading and longer detention time will increase the effectiveness of total nitrogen removal. Issues of further studies can include the observation of different treatment units and their purification efficiency itself and annually.

In dry and semi-dry climate, Artificial Groundwater Recharge Structures are used for flood control and managed aquifer recharge. These damps basin runoff response decrease the maximum flows and increase the runoff duration through wet seasons. In this study, a framework to quantify the role of AGWRS in headwater tributaries on the total water balance of major basin and alteration of flow pattern in the main river has been presented. The study contains four main subroutines: rainfall-runoff model, reservoir flood routing, river analysis system and seepage analysis. The flood hydrographs with different return periods are estimated based on the climatic data and the characteristics of headwater basin. River flow analysis below the structure is carried out for two unsteady flow scenarios, first with the hydrographs of the natural system (as pre-impact: quick flood with significant peak flow) and second the altered flow hydrographs due to detention process in the reservoir (as post-impact: damped flood lower peak with longer duration time). Two sets of dynamic water surface along the river (from the location of detention structure (x=0) to the confluence point with the main river (x=L) are developed based on two hydrologic conditions as results of river analysis system. The results of framework define the impact of flood detention structure by comparing the timing, magnitude, and variability of flow. The Kamal Abad artificial groundwater recharge in Mahrlou Lake basin in Southern Iran was selected as case study to demonstrate the application of the created framework. Through the probability analysis, the return period for hydrological drought has been compared to the pre-impact and post-impact condition. The results clearly showed how embankments influence floods in tributaries and in some cases the flow reduced significantly and disappear in tributaries.

Heterotrophic denitrification reactors are typical treatment units used to remove nitrate from aquaculture effluent. However, they face with limitation due to practical and economic reasons as a result of their requirement for external readily available organic carbon sources. In this study, four clear acrylic vertical columns (10cm × 32cm) with upward flow direction were constructed and packed packed with wood chips (from birch tree), and mixture of woodchips with three different carbon sources (potato peels from industrial process; dried sphagnum moss and biochar coals). The purification performance of bioreactors were investigated in treatment of aquaculture effluent under design hydraulic retention time (HRT) of 48-h and temperature of 15.35± 0.31°C (mean± SD) for 55 days. The results of this study clearly showed the instant nitrate (NO₃-N) reduction in all bioreactors and stable removal efficiency after one week. As much as 94% of the nitrate was removed from aquaculture effluent with 35.5 mg NO₃-N L⁻¹ concentration, in bioreactor with woodchips. This removal efficiency corresponded to 21.6 g N m⁻³d⁻¹ removal rate. Reported removal rate and removal efficiency for 35.5 mg NO₃-N L⁻¹ inflow concentration, averaged (21.4 g N m⁻³d⁻¹, 92 %) for woodchips with potato peels, (20.7 g N m⁻³d⁻¹, 91.3 %) for woodchips with biochar and (19.2 g N m⁻³d⁻¹, 78.9 %) for woodchips with dried sphagnum moss (BR2). In addition, bioreactor with potato peels showed higher nitrate removal rate (29.2 g N m⁻³d⁻¹) for the inflow water with high concentration of NO₃-N (35th -55th day). Reported nitrate removal rate in this study were relatively greater than measured in previous studies due to the selected sufficient HRT (48-h) combined with relatively high NO₃-N concentration of influent in the optimal temperature of 15.35± 0.31°C (mean± SD). Start-up leachate of organic carbon, ammonia and phosphorus for start-up period took place in all bioreactors, but with higher rate in bioreactor with potato peels. Rise in alkalinity took palace as an evidence of heterotrophic denitrification in all bioreactors expect bioreactor with potato peels. Phosphorus reductions were observed after two weeks in woodchips bioreactor with biochar, bioreactor with dried sphagnum moss and woodchip bioreactor at the highest removal efficiency of 23%, 38% and 35%, respectively. While, Phosphorus reduction started in bioreactor with potato peels after nearly one month at the rate of 20%. In summary, the master thesis demonstrated that woodchips bioreactors have potential of nitrate removal from aquaculture effluent even with low chemical oxygen demand (COD). Woodchips bioreactors can reach the stable performance within few weeks.

abstract: Bacteroides have been suggested as alternative indicators of fecal pollution since they are highly abundant in feces and are thought to have limited potential to grow in environment. However, recent literature suggests that Bacteroides can potentially survive within water distribution systems. The first objective of this study was therefore to investigate the validity of Bacteroides as a fecal indicator for drinking water through laboratory experiments and field studies. Experiments were performed using a laboratory scale PVC model water distribution system that was spiked with 109 Bacteroides. Samples were collected over the following four and analyzed by culture and molecular-based techniques. Second, field studies were performed by collecting water meters from two large chlorinated water distribution systems in central Arizona. Upon removal for repair by city personnel, meters were collected and biofilms samples were gathered within two hours. The biofilms were then analyzed using culture and molecular-based assays. The results from these studies support the hypothesis that Bacteroides DNA may be found in water distribution systems despite the difficulty of cultivating these bacterial cells. These experiments present the importance of considering biofilm interactions with fecal indicator bacteria when performing molecular assays on environmental samples, as biofilms may provide protection from high oxygen concentrations and grazing protozoa in bulk water that limit the persistence Bacteroides in the environment. Although the significance of biofilm interactions with surface or recreational waters may be small, they are likely important when considering drinking water delivered through distribution systems. The second objective of this study was to investigate alternative detection methodologies for the fecal indicator Bacteroides. In particular, this study focused on using a simplified protocol of Nucleic Acid Sequence Based Amplification (NASBA) and Thermophilic Helicase-Dependent Amplification (tHDA) to amplify the highly conserved 16s rRNA gene in the genomic DNA of fecal indicator Bacteroides. The results of this study show that the simplified NASBA procedure was not able to amplify the target, while continuous problems with tHDA exposed the methods lack of reliability. These results suggest higher reliability in the isothermal amplification methods needs to be achieved before application to environmental samples. / Dissertation/Thesis / M.S. Civil and Environmental Engineering 2012