Abstract There are various methods available for treating the runoff water from peat mining, and this research concentrates on measures applied within the peat production areas themselves. The work is divided into three sections: comparison of sod peat and milled peat production, development of a new subsurface drainage method and the use of barriers constructed of wood chips to equalize peak runoffs. The research into peat mining methods was carried out by comparing similar production areas over a period of four years. The methods did not appear to have any effect on the mean runoff, but the peak runoffs from sod peat production were smaller than from milled peat production. The furrows made by the sod peat machine seemed to equalize the peak runoffs and at best reduced their value by 25 millimetres. The increase of mean phosphorus content resulting from milled peat production was statistically significant, and the peak solids content was higher, but the production method did not appear to affect other mean concentrations significantly. A new subsurface drainage method that uses rock fibre boards as vertical water conductors was developed. These were used to lead rain water and meltwater from snow away from the production areas to the subsurface pipes so that no surface water entered the collector ditches serving the production area. The method was tested in two production areas over a period of six years. Subsurface drainage proved to be an efficient method, and the vertical water conductors eliminated problems arising from the poor water conductivity of peat and the presence of ground frost. Natural peatlands require pre-drying before subsurface drains can be constructed, however. Subsurface drainage is better able to equalize runoffs than open ditches, so that no high peak runoffs occur in properly planned production fields. Also, subsurface drainage reduces solids, COD and the colour by comparison with open ditches, but increases the iron content. The results regarding phosphorus and nitrogen vary a great deal and no clear difference could be detected. Concentrations in the areas where subsurface drainage was used varied very little and no peak concentrations similar to those in areas with open ditches were detected. This together with the uniform runoffs substantially reduces stress to the environment. The feasibility of using barriers constructed of wood chips in bed ditches and in peat redistribution areas was also investigated. The barriers worked well in the peat redistribution areas and the research is being continued with attempts to improve the functioning of the structures. The use of these barriers in bed ditches proved too laborious.

Abstracts Cellulose nanopapers are the strongest polymeric material known to us, and in the near future, they are likely to be a backbone of numerous functional materials. Cellulose nanopapers have gained much attention due to qualities such as their environmentally friendly nature, renewable raw material source and biodegradability. Additionally, they offer an industrially adaptable, water-based processing route, which is similar to current paper production. Functionally, besides being tougher than any known plastic, cellulose nanopapers remain foldable like a paper. Despite their fascinating properties, cellulose nanopapers are still far from commercialisation – mainly due to two obstacles. Firstly, it can take up to hours to prepare a nanopaper due to poor draining of cellulosic nanofibres. Secondly, cellulose nanopapers have extremely poor water and humidity resistance, as up to 90% of their stiffness is lost in the presence of water. The purpose of this dissertation is to address both obstacles and suggest an eco-friendly yet industrially relevant solution. Two approaches are employed: increasing the hydrophobicity of cellulose nanofibres with lactic acid and ultrasonication (Paper I and II), and combining cellulose nanofibres with hydrophobic materials, such as polyurethane (Paper III) and lignin-rich entities (Paper IV). By using these methods, the preparation time was improved by 75% (Paper II) and by 70% (Paper IV) respectively. All reported nanopapers were significantly more tolerant of water and moisture than the reference nanopaper. The mechanical properties were also improved in Paper I and IV. Additionally, all reported nanopapers were thermally stable. This thesis also discusses the importance of quick draining in cellulose nanofibre-reinforced paper products. The results of this study are likely to aid the commercialisation of cellulose nanopapers in practical applications and the use of cellulose nanofibres in other materials, such as reinforcing paperboards. All methods used in this thesis are water-based. / Tiivistelmä Selluloosapohjaiset nanopaperit ovat lujimpia tunnettuja polymeerimateriaaleja ja lähitulevaisuudessa niiden voidaan odottaa luovan perustan useille funktionaalisille materiaaleille. Nanopaperit ovat saaneet paljon huomiota ympäristöystävällisyytensä, uusiutuvan raaka-aineensa ja biohajoavuutensa ansiosta. Lisäksi niiden valmistusprosessi on vesipohjainen ja samankaltainen kuin tavallisen paperin valmistukseen käytetty teollinen prosessi. Käyttöominaisuuksiltaan ne ovat erinomaisia, sillä vaikka niiden sitkeys on parempi kuin tunnetuilla muoveilla, ovat ne silti paperin tavoin taiteltavia. Kiehtovista ominaisuuksistaan huolimatta selluloosapohjaiset nanopaperit ovat kuitenkin vielä kaukana kaupallistamisesta ja tähän vaikuttavat pääosin kaksi tekijää. Tärkein syy on selluloosananokuitujen kuivattamisen ja näin ollen nanopaperin muodostamisen vaatima huomattavan pitkä aika. Nykyisillä menetelmillä nanopaperin valmistaminen kestää useita tunteja. Toinen syy on niiden erittäin huono veden- ja kosteudenkestävyys. Ne menettävät jopa 90 % jäykkyydestään veden vaikutuksesta, mikä rajoittaa niiden käyttöä kosteissa ja vesiroiskeille alttiissa kohteissa. Tämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena on löytää ekologisesti kestävä ja teollisuudessa hyödynnettävissä oleva menetelmä molempien edellä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi. Työssä noudatetaan kahta eri lähestymistapaa: lisätään selluloosananokuitujen hydrofobisuutta maitohapon ja ultrasonikoinnin avulla (Artikkelit I ja II), ja yhdistetään selluloosananokuituihin hydrofobisia materiaaleja, kuten polyuretaania (PU) (Artikkeli III) ja ligniinipitoisia yhdisteitä (Artikkeli IV). Näitä menetelmiä käyttämällä valmistusaikaa saatiin lyhennettyä 75 % (Artikkeli II) ja 70 % (Artikkeli IV). Kaikki valmistetut nanopaperit olivat huomattavasti veden- ja kosteudenkestävämpiä kuin verrokkinäytteet sekä osoittivat lämpöstabiiliutta. Lisäksi mekaanisia ominaisuuksia saatiin parannettua Artikkeleissa I ja IV. Tässä työssä käsitellään myös nopean kuivattamisen tärkeyttä selluloosananokuitulujitteisten paperituotteiden valmistuksessa. Saadut tulokset todennäköisesti edistävät selluloosapohjaisten nanopaperien kaupallistamista ja selluloosananokuitujen hyödyntämistä esimerkiksi kartongin lujitemateriaalina. Kaikki työssä käytetyt menetelmät ovat vesipohjaisia.

Abstract This thesis examines temporal and spatial variations in the status of different rivers and streams of western Finland in terms of acidity and sources of acid load derived from the catchment area. It also examines the monitoring of acid runoff water derived from maintenance drainage in peatland forestry and suggests potential mitigation methods. A total of 17 river basins of different sizes in western Finland were selected for study, including rivers affected by both drainage of agricultural AS soils and forested peatlands. Old data from 1911–1931 were available, but most data were from the 1960s onwards and were taken from the HERTTA database. During 2009–2011, pH and conductivity measurements and water sampling were conducted. Biological monitoring for ecological classification was conducted in the Sanginjoki river system during 2008 and 2009. Three peatland forestry sites were selected to study acid leaching via pH and EC measurements and water sampling. Fluctuations in groundwater level in different drainage conditions were simulated and acid leaching was investigated in laboratory experiments in order to replicate a situation where the groundwater level drops and allows oxidation of sulphidic materials. It was found that river pH decreased and metal concentrations increased with runoff. The highest acidity observed coincided with periods of intense drainage in the 1970s and after dry summers in the past decade. Together with pH, electric conductivity and sulphate in river water were identified as suitable indicators of AS soils in a catchment, because they directly respond to acid leaching derived from AS soils. Acidity derived from organic acids was clearly observed in catchments dominated by forested peatlands and wetlands. Temporal and spatial variations in ecological status were observed, but monitoring at whole-catchment scale and during consecutive years is needed to increase the reliability of the results. Simulations on the potential effects of maintenance drainage in peatland forestry on runoff water quality showed a clear risk of oxidation of sulphidic materials during dry summers. This can be prevented mainly by avoiding too deep drainage. Knowledge of the hydrochemical impacts of acidic load derived from AS soils and drained peatlands is necessary for land use planning and sustainable water management of river basins affected by these soils. / Tiivistelmä Tutkimuksessa tarkastellaan Suomen länsirannikon happamuudesta kärsivien jokivesistöjen tilan ajallista ja paikallista vaihtelua. Tutkimuskohteena on sekä happamien sulfaattimaiden että ojitettujen turvemaiden jokivesistöjä. Tutkimuksessa tarkastellaan myös sulfidipitoisilta metsäojitetuilta turvemailta valuvaa happamuutta sekä ehdotetaan tällaisille kohteille soveltuvia keinoja huuhtouman ehkäisemiseksi. Tutkimukseen valittiin 17 erikokoista jokivesistöä, joiden valuma-alueella on sekä happamia sulfaattimaita että metsäojitettuja turvemaita. Varhaisin väitöskirjaan sisällytetty aineisto on vuosilta 1911–1931. HERTTA-tietokannasta poimittiin aineistoa happamuusmuuttujista 1960-luvulta alkaen. Vuosina 2009–2011 suoritettiin pH- ja sähkönjohtavuusmittauksia sekä otettiin vesinäytteitä Siika- ja Pyhäjoen valuma-alueen joista sekä näiden välissä sijaitsevien pienempien valuma-alueiden joista. Ekologisen tilan selvittämiseksi otettiin biologiset näytteet Sanginjoen valuma-alueen joista ja puroista vuosien 2008 ja 2009 aikana. Kunnostusojituskohteilla seurattiin pH:n ja sähkönjohtavuuden muutoksia kokoojaojissa sekä otettiin vesinäytteitä. Pohjaveden pinnan vaihtelua selvitettiin sekä kenttämittauksilla että mallinnuksen avulla. Laboratoriokokeen avulla selvitettiin sulfidien hapettumista. Metallipitoisuudet nousivat ja pH laski valumien kasvaessa. 1970-luvulla toteutetut salaojitukset heijastuivat jokien happamuuden kasvuna. Myös viime vuosikymmenen kuivat kesät näkyivät veden happamuuden lisääntymisenä syksyn ylivirtaamatilanteissa. Veden pH, sähkönjohtavuus sekä sulfaatti ilmensivät happamien sulfaattimaiden esiintymistä valuma-alueella. Orgaanisista hapoista peräisin olevaa happamuutta havaittiin valuma-alueilla, joilla on runsaasti ojitettuja turvemaita. Ekologisen tilan ajallisen ja paikallisen vaihtelun vuoksi seurantaa tulisi toteuttaa peräkkäisinä vuosina sisällyttäen tarkasteluun valuma-alueen eri jokia ja puroja. Kunnostusojitukset voivat aiheuttaa happamuutta, jos ojitus ulottuu sulfidikerrokseen. Riski on olemassa poikkeuksellisen kuivina kesinä. Sulfidien hapettumista voidaan ehkäistä välttämällä liian syvien ojien kaivamista. Maatalouskäytössä olevilta happamilta sulfaattimailta ja ojitetuilta turvemailta peräisin olevan huuhtouman vaikutukset tulee tuntea, jotta valuma-alueiden maankäyttöä ja vesiensuojelua voidaan toteuttaa tehokkaasti.