<p>This doctoral research comparatively assesses the biogeochemical properties of suspended aquatic flocs through a integrated field-laboratory approach; providing new insight into the linkages among floc associated bacteria, floc-reactive solid phases and trace metal uptake.</p> <p>Results show flocs to possess a distinct geochemistry, microbiology and composition from bed sedimentary materials in close proximity (III-oxyhydroxide minerals (FeOOH); resulting in localized floc-Fe-mineral precipitates and enhanced reactivity. Further, the Fe-enrichment of floc and of floc bio-mineral constituents in turn provides an important and novel lens through which to examine how environmental microbial communities, microbial metabolism and Fe^III/Fe^IIredox transformations interact. The results were the discovery of floc-hosted, Fe^III/II-redox cycling bacterial consortia across diverse oxygenated (O₂^Sat.=1-103%) aquatic systems, which were not predicted to sustain bacterial Fe-metabolism. Both environmental<em> </em>and experimentally-developed consortial aggregates constituted multiple genera of aero-intolerant Fe^III-reducing and Fe^II-oxidizing bacteria together with oxygen consuming organotrophic species. These findings highlight that the implementation of geochemical thermodynamic constraints alone as a guide to investigating and interpreting microbe-geosphere interactions may not accurately capture processes occurring <em>in situ.</em></p> <p><em> </em> Seasonal investigation of microbial Fe^III/II-redox transformations highlighted the interdependence of floc Fe-redox cycling consortia members, revealing that cold conditions and a turnover in putative Fe-reducing community membership extinguishes the potential for coupled Fe-redox cycling by wintertime floc bacteria. Further, the observed summer-winter seasonal turnover of <em>in situ</em> floc community membership corresponded with an overall shift from dominant Fe to S redox cycling bacterial communities. This significantly impacted observable floc Fe and TE (Cd, Pb) geochemistry, resulting in a shift in floc associated Fe-phases from dominantly Fe^(III)_(s) to Fe^(II)_(s), and, in turn, corresponded to a large decrease of TE uptake by flocs under ice.</p> / Doctor of Science (PhD)

Abstract This study focused on web forming at a 5–10% consistency range, termed Ultra High Consistency (UHC). The study continued work done by Gullichsen with his research groups (1981–2007) and combined it with the HC forming research done by Valmet (HC, 1999–2004). The hypothesis was that by utilizing a rotor to fluidize suspension and a wedge to eliminate the free jet and thus prevent reflocculation, web forming at UHC is feasible at commercial speeds. The research method was experimental. The bulk of the research was conducted at pilot scale. A new UHC headbox was designed and mounted on a pilot former. The key elements of the headbox are the rotor and the wedge. As fluidization forms the base for UHC forming, this was evaluated at the pilot former using image analysis. In addition, fluidization was studied using a laboratory-scale device. Besides basic paper analysis, X-ray microtomography and sheet splitting methods were utilized to analyze the sheet structure. The results show that forming is possible within the focus area, 5–10% consistency and machine speeds of 150–600 m/min, although the operation potential of the UHC former is even wider. The results demonstrate that the wedge is needed for successful UHC forming, but the rotor is not required, providing the flow rate is sufficiently high. This indicates that various forces induced by the flow itself can be adequate to fluidize suspension for forming. The critical Reynolds number of full fluidization was found to be 200–250. The Reynolds numbers were estimated utilizing the linear dependencies found between the apparent viscosity and consistency, using the maximum mean flow velocities inside the headbox, and neglecting the possible rotation of the rotor. The corresponding critical flow velocities at 10% consistency are 12 and 19 m/s for a eucalyptus and pine pulp. The velocities are on average 70 and 60% lower than those given in the literature (40–50 m/s). The results reveal that the fiber orientation of UHC sheets is planar, the floc size of the web increases with consistency, the internal bond increases linearly with the floc size, and the tensile strength appears to decrease with increasing floc size. In consequence, it is postulated that the increase in the out-of-plane strength at the expense of in-plane strength with the consistency increase results from a more flocculated structure. / Tiivistelmä Tutkimus keskittyi rainanmuodostukseen 5–10 % sakeudessa. Sakeusalue nimitettiin ultra korkeaksi (lyhenne UHC). Tämä työ jatkoi Gullichsenin ja hänen tutkimusryhmiensä tutkimustyötä (1981–2007) ja samalla yhdisti sen Valmetin tekemään suursakeusrainaustutkimukseen (HC, 1994–2004). Työn hypoteesina oli, että käyttämällä roottoria massan fluidisoimiseen sekä ns. wedgeä eliminoimaan vapaa suihku ja estämään jälleenflokkaantuminen, rainanmuodostus UHC-sakeudessa on mahdollista kaupallisissa nopeuksissa. Tutkimusmetodi oli kokeellinen. Pääosa tutkimuksesta suoritettiin koekonemittakaavassa. Uusi UHC-perälaatikko suunniteltiin ja asennettiin koeformeille. Perälaatikon pääelementit ovat pyörivä roottori ja wedge. Koska fluidisointi muodostaa UHC-rainauksen perustan, fluidisointia evaluoitiin koekoneella käyttäen kuva-analyysiä sekä tutkittiin lisäksi käyttäen röntgenmikrotomografia ja arkin halkaisu -metodeja. Tulokset osoittavat, että rainaaminen on mahdollista määritellyllä fokusalueella, 5–10 %sakeudessa ja konenopeudella150–600 m/min, joskin UHC-formerin toimintapotentiaali on vieläkin laajempi. Tulokset osoittavat, että wedge tarvitaan onnistuneeseen UHC-muodostamiseen, mutta roottoria ei tarvita, mikäli virtausnopeus on riittävän suuri. Tämä tarkoittaa, että virtauksen aikaansaamat voimat voivat itsessään olla riittäviä massan fluidisoimiseksi rainaamista varten. Täyden fluidisaation kriittisen Reynoldsin luvun havaittiin olevan välillä 200–250. Reynoldsin luvut arvioitiin käyttäen löydettyjä viskositeetin ja sakeuden välisiä lineaarisia riippuvuuksia, päävirtauksen maksiminopeuksia perälaatikossa ja jättäen huomioon ottamatta mahdollinen roottorin pyöriminen. Reynoldsin lukuja vastaavat kriittiset virtausnopeudet 10 % sakeudessa ovat eukalyptus- ja mäntymassalla 12 ja 19 m/s. Nopeudet ovat keskimäärin 70 ja 60 % pienempiä kuin kirjallisuudessa annetut (40–50 m/s). Tulokset osoittavat, että UHC-arkeissa kuituorientaatio on tasomainen, rainan flokkikoko kasvaa sakeuden kasvaessa, palstautumislujuus kasvaa lineaarisesti flokkikoon kanssa ja vetolujuus näyttäisi laskevan flokkikoon kasvaessa. Näin ollen esitetään, että sakeuden kasvaessa tapahtuva palstautumislujuuden kasvu tasolujuuksien kustannuksella johtuu flokkaantuneemmasta rakenteesta.