Abstract Chemical treatment is considered best available technology for purification of peat extraction runoff in Finland, due to its capability to remove dissolved organic carbon (DOC), suspended solids and nutrients. However, lack of optimisation and adaptation of this method for purification of diffuse pollution sources, e.g., peat extraction runoff, has led to significant fluctuations in purification efficiency. This thesis evaluated the suitability of commercially available coagulants for the treatment of typically humic water. Inorganic (ferric sulphate, aluminium sulphate and a mixed product) and organic (polyDADMAC, polyamine, chitosan and tannin products) coagulants were studied. Investigations included assessment of required dosage and the influence of process parameters (pollutant concentration, mixing, water pH and temperature) on coagulant performance. In addition, the process conditions in existing treatment systems were examined in field experiments aimed at identifying possible factors affecting purification. Ferric sulphate (FS) was the most effective of the coagulants tested. It produced excellent flocs and achieved higher removal efficiency, particularly for DOC, than the other coagulants. However, the dosage required for FS was significantly higher than for e.g., polyDADMAC and chitosan. Moreover, samples treated with FS displayed high iron concentration and acidic pH. The organic polymers achieved satisfactory results, but further research is needed before they can become viable alternatives to metal salts. The quality of peat extraction runoff water was found to vary significantly. It was also observed that variations in DOC concentration, even for particulate rich samples, controlled coagulant dosage and, consequently, treatment efficiency. For inorganic coagulants, mixing provided during flocculation had a more significant influence on purification than mixing provided during coagulation. This is relevant hence in now existing treatment facilities no mixing is employed during flocculation. Based on the research conducted, suggestions were formulated for process optimisation aimed at reducing variations in purification efficiency, thus increasing the reliability of the method and reducing related environmental impacts. / Tiivistelmä Turvetuotannon valumavesien käsittelyssä yksi parhaista käyttökelpoisistatekniikoista on kemiallinen käsittely, koska se pystyy poistamaan valumavedestä liukoista orgaanista hiiltä (DOC), kiintoainetta ja ravinteita. Tästä huolimatta kemiallisen käsittelyn optimointia ei ole tehty hajakuormitukselle, kuten turvetuotannon valumavesille, minkä seurauksena valumavesien puhdistustuloksissa on suurta vaihtelua. Tässä väitöstyössä tutkittiin markkinoilla saatavilla olevien kemikaalien sopivuutta turvetuotannon humuspitoisille valumavesille. Tutkimuksessa testattiin epäorgaanisia (ferrisulfaatti, alumiinisulfaatti ja näiden sekoitus) ja orgaanisia (polyDADMAC, polyamiini, kitosaani ja tanniinipohjaisia polymeerejä) koagulanttikemikaaleja. Tutkimuksessa selvitettiin koagulanttien annostarpeet sekä erilaisten prosessiparametrien (vedenlaatu, sekoittaminen, pH ja lämpötila) vaikutus koagulanttien toimintaan. Laboratoriotutkimusten lisäksi väitöstyö sisälsi kenttämittauksia turvetuotannon valumavesien tyypillisten kemiallisen vesienkäsittelyn prosessiparametrien selvittämiseksi. Tutkituista koagulanteista rautasulfaatti oli tehokkain. Se tuotti hyvin laskeutuvaa flokkia ja poisti parhaiten valumavesien orgaanista ainesta. Rautasulfaatti vaati kuitenkin selkeästi suuremman annostuksen kuin esimerkiksi polyDADMAC ja kitosaani. Lisäksi puhdistettuun veteen jäi paljon rautaa ja vesi oli hapanta. Orgaanisilla kemikaaleilla saavutettiin myös kohtalainen/melko hyvä puhdistustulos, mutta lisää tutkimusta tarvitaan ennen kuin ne voivat olla vaihtoehtona epäorgaanisille kemikaaleille. Turvetuotannon valumaveden laatu vaihteli paljon. Valumaveden orgaanisen aineen määrän vaihtelulla oli suurin vaikutus kemikaalin annostukseen ja puhdistustulokseen. Sekoituksista kemiallisen käsittelyn flokkulaatiovaiheen sekoituksella oli suurempi vaikutus puhdistustulokseen kuin koagulaatiovaiheen sekoituksella. Tutkituilla turvetuotantoalueilla ei kuitenkaan ollut tällä hetkellä riittävää sekoitusta flokkulaatiovaiheessa. Tässä väitöstyössä esitetään parannuksia kemiallisen käsittelyn optimointiin paremman ja vakaamman puhdistustuloksen aikaansaamiseksi humuspitoisille vesille.

Abstract Peatland drainage for forestry, agriculture and peat extraction results in runoff rich in organic matter, sediments and nutrients. This has a significant effect on downstream ecosystems. Therefore, water purification using sedimentation basins and wetlands is required in environmental permits for peat extraction in Finland, to reduce downstream impacts. Due to increasingly strict environmental regulations, more advanced water purification methods need to be developed. Using field measurements, laboratory experiments and hydrological/hydraulic modelling, this thesis sought to develop new methods based on: i) more refined hydrological information related to runoff and pollutant load control and ii) hydraulic design of sedimentation basins used in chemical purification. The hydrology of three peatland forestry and two drained peat extraction areas in northern Finland was studied and simulated using the DRAINMOD 6.1 hydrological model. Watertable depth (WTD) and drainage outflow were recorded continuously during several years and the data were used for model calibration and validation. Despite some under- and over-estimation of certain events, WTD fluctuations were simulated quite accurately for all peatland areas. The results demonstrated that DRAINMOD 6.1 can satisfactorily simulate WTD fluctuations in a cold climate such as northern Finland, but the model did not simulate drainage outflow adequately. Chemical treatment facilities were optimised using 3D computational fluid dynamic (CFD) models. COMSOL Multiphysics 5.1 was employed to evaluate the influence of inlet design on treatment efficiency in commonly used treatment basins without any barrier, and for optimization of barrier design through gravity-driven hydraulic flocculators. The results showed that inlet design had a significant effect on treatment efficiency. Several barrier designs were simulated and the best combination was tested for different distances between barriers, to find a geometry ratio and flow depth producing optimal mixing conditions for the treatment process. / Tiivistelmä Turvemaiden ojitus metsätaloutta, maataloutta ja turvetuotantoa varten lisää orgaanisen aineen, kiintoaineineen ja ravinteiden huuhtoutumista alapuolisiin vesistöihin. Lisääntyneellä kuormituksella voi olla merkittäviä vaikutuksia vesiekosysteemeihin, minkä vuoksi turvetuotannon ympäristöluvissa vaaditaan valumavesien puhdistamista mm. laskeutusaltaiden ja pintavalutuskenttien avulla. Tiukentuneiden vesiensuojelumääräysten vuoksi tarvitaan uusia vesiensuojelumenetelmiä sekä tulee tehostaa jo käytössä olevien menetelmien toimintaa. Tämän työn tavoitteena on suositella uusia menetelmiä perustuen I) entistä tarkempaan hydrologiseen tietoon valunnasta ja vesistökuormituksesta ja II) kemiallisen vesienpuhdistuksen yhteydessä käytettävien laskeutusaltaiden hydrauliseen suunnitteluun. Tämä väitöstyö rakentuu maastossa ja laboratoriossa tehtyjen tutkimusten sekä hydrologisen/hydraulisen mallinnuksen varaan. Valuma-alueiden hydrologiaa tutkittiin ja mallinnettiin kolmella turvemetsäalueella ja kahdella turvetuotantoalueella Pohjois-Suomessa. Ojituksen hydrologisten vaikutusten arviointiin käytettiin DRAINMOD 6.1 ohjelmaa, jonka kalibrointia ja validointia varten kerättiin jatkuvatoimisilla antureilla aineistoa pohjaveden pinnankorkeuksista ja virtaamasta useiden vuosien ajalta. Mallin avulla voitiin pohjaveden pinnan vaihtelut kuvata yleisesti melko hyvin kaikilla tutkimusalueilla yksittäisistä sadanta-valuntatapahtuminen yli- tai aliarvioinneista huolimatta. Saadut tulokset osoittavat, että DRAINMOD 6.1 ohjelmalla voidaan riittävällä tarkkuudella simuloida pohjaveden pinnan vaihteluita kylmässä ilmastossa, kuten Pohjois-Suomessa, mutta malli ei soveltunut hyvin ojitusalueelta lähtevän valunnan tarkkaan määrittämiseen. Kemiallisen vesienpuhdistusrakenteiden optimointiin käytettiin COMSOL Multiphysics 5.1 ohjelmaa, jolla voidaan toteuttaa ja laskea veden virtauksia kolmessa dimensiossa (computational fluid dynamic, CFD, model). Mallilla arvioitiin kemikalointialtaan tuloaukon rakenteen vaikutuksia tyypillisesti kemikaloinnissa käytetyn allasrakenteen puhdistustehokkuuteen. Lisäksi mallilla mitoitettiin virtausesteitä optimaalisen sekoittumisolosuhteiden saamiseksi ja puhdistustehokkuuden parantamiseksi painovoimaisesti toimivissa flokkausaltaissa (hidas sekoitus). Saadut tulokset osoittavat, että laskeutusaltaiden tuloaukon rakenteella on merkittävä vaikutus kemikaloinnissa saavutettuun puhdistustehokkuuteen. Lisäksi työssä esitettiin optimaalisia virtausesteiden mitoituksia (geometria, esteiden välinen etäisyys, virtaussyvyys yms.) puhdistuksen kannalta parhaiden mahdollisten sekoitusolosuhteiden saavuttamiseksi.

Abstract Groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are aquatic or terrestrial ecosystems that rely directly or indirectly on groundwater (GW). Recent European and Finnish legislation requires better consideration of these systems in GW management. The main aim of this thesis was to develop new methods for GDE classification and management, by testing environmental tracer methods in different environments. New information about GW-surface water interactions was obtained and novel methods for GDE classification and management were developed for lakes, peatlands, streams, and springs. Stable water isotopes proved to be an efficient tool for determining the GW dependence of lakes. An iterative isotope mass balance method was applied for 67 lakes situated in the Rokua esker aquifer area. Stable water isotopes also showed potential in determining the GW dependence of a peatland surface horizon. A study conducted in peatlands adjacent to Viinivaara esker aquifer indicated that the GW dependence of peatlands can vary significantly and that GW-dependent areas can extend outside current GW protection areas. Thermal images proved useful in pinpointing clear GW seepage locations in peatlands. For streams, a novel stream tracer index method was developed to evaluate GW dependence based on GW volume in streams, thermal properties of streams, and stream water quality. The method was tested in three streams discharging from Viinivaara and Rokua aquifers and was found to efficiently capture spatial variations in GW dependence. In Oulanka region, hydrological and chemical characterization and statistical methods were used to classify springs into different types. Spring altitude and δ2H value were identified as useful proxies for spring water chemistry. The methods developed in this thesis can be helpful when classifying and studying GDEs and applying environmental tracer methods in various environments. Knowing the GW dependence of an ecosystem, the impacts of possible GW table decline caused by e.g., GW abstraction, drainage, and/or climate change can be evaluated. For large-scale applications, GDE classification methods have to be practical, effective, and low-cost. Combined use of stable water isotopes and other tracers can be especially effective for characterizing ecosystem hydrology on different temporal and spatial scales. / Tiivistelmä Pohjavedestä riippuvat ekosysteemit (GDE) ovat vesi- tai maaekosysteemejä, jotka ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia pohjavedestä. Euroopan Unionin ja Suomen lainsäädännön mukaan pohjavesien hallinnassa tulisi ottaa paremmin huomioon GDEt. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä näiden ekosysteemien luokitteluun ja hallintaan. Luonnollisia merkkiainemenetelmiä soveltaen saatiin uutta tietoa pohjavesi-pintavesi vuorovaikutuksesta ja kehitettiin uusia menetelmiä GDE-luokitteluun järville, soille, puroille ja lähteille. Veden stabiilit isotoopit osoittautuivat tehokkaaksi työkaluksi järvien pohjavesiriippuvuuden määrittämisessä. Iteratiivista isotooppimassatase-menetelmää käytettiin 67 Rokuan järven pohjavesiriippuvuuden selvittämiseen. Veden stabiileilla isotoopeilla pystyttiin myös määrittämään suon pinnan pohjavesiriippuvuus. Viinivaaran harjun viereisen suoalueen tutkimus näytti, että suon pohjavesiriippuvuus voi vaihdella merkittävästi ja pohjavedestä riippuvia alueita löytyy myös nykyisten pohjavesirajojen ulkopuolelta. Lisäksi soilla havaittiin selkeitä pohjavedenpurkupaikkoja lämpökamerakuvauksen avulla. Puroille kehitettiin uusi menetelmä, jolla niiden pohjavesiriippuvuutta voidaan arvioida perustuen pohjaveden määrään puroissa, puroveden lämpötilaominaisuuksiin ja puroveden laatuun. Menetelmää testattiin Viinivaaran ja Rokuan harjuista purkautuville puroille ja sillä havaittiin pohjavesiriippuvuuden vaihtelevan purojen eri osissa. Oulangan lähteitä luokiteltiin eri tyyppeihin hydrologisen ja kemiallisen karakterisoinnin ja tilastollisten menetelmien avulla. Lähteiden altitudin ja δ2H-arvon havaittiin ennustavan lähdeveden kemiallista koostumusta. Tässä tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat olla hyödyllisiä GDE-luokittelussa, eri ekosysteemien tutkimisessa ja luonnollisten merkkiainemenetelmien soveltamisessa eri ympäristöissä. Kun ekosysteemin pohjavesiriippuvuus tiedetään, voidaan arvioida pohjavedenotosta, ojituksesta ja/tai ilmaston muutoksesta mahdollisesti aiheutuvan pohjavedenpinnan laskun vaikutuksia. Suuressa mittakaavassa, GDE-luokittelumenetelmien tulee olla käytännöllisiä, tehokkaita ja halpoja. Veden stabiilien isotooppien ja muiden merkkiaineiden yhdistetty käyttö vaikuttaa olevan tähän erityisen tehokas työkalu, jolla voidaan ymmärtää ekosysteemien hydrologiaa eri temporaalisissa ja spatiaalisissa mittakaavoissa.

Abstract Wood is an essential material that has many applications in the fields of engineering and especially in the forest industry, which is particularly important in Fennoscandia. Among the various modification methods for wood, thermal modification has grown substantially over the past decades. It is an environmentally friendly method for increasing the lifetime and usability of timber. The aim of this thesis is to characterize the properties of thermally modified wood as well as to obtain new information on the changes taking place in pinewood due to the thermal modification process. Several NMR methods were used to gain information on the effect of thermal modification on the microstructure and moisture components of Pinus sylvestris pinewood. Pinewood samples thermally modified at different temperatures were studied and compared to corresponding unmodified wood samples. Diffusion of water and methane was studied using pulsed-field-gradient stimulated-echo measurements to determine the highly anisotropic size distribution of pores in different cell structures of pinewood. NMR cryoporometry and relaxometry measurements were conducted to gain information on the amounts and environments of both the bound and free water absorbed into the wood samples. Cryoporometry measurements resulted in an upper limit value for the size of bound water sites and the combination of cryoporometry and relaxometry data enabled the size determination of cell wall micropores. Magnetic resonance imaging was used to visualize the spatial distribution of absorbed free water in the studied samples. Together these methods give a broad overall picture of the effects of the modification process. The results of this work give new insight into the microstructure of thermally modified pinewood and its relationship to moisture, which is of importance for both wood science as well as industry. The applicability of the NMR techniques used here to the study of wood is also proven in this work. Using the techniques developed, it is possible to determine the optimal modification temperature, which is high enough to obtain the desired effects, but low enough not to destroy the microstructure of wood. / Tiivistelmä Puuta pystytään hyödyntämään useilla eri aloilla ja se on materiaalina tärkeä etenkin Fennoskandiassa merkittävälle metsäteollisuudelle. Useiden erilaisten puun käsittelymenetelmien joukossa lämpökäsittely on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan viime vuosikymmeninä. Kyseessä on ympäristöystävällinen menetelmä, jolla voidaan pidentää puun käyttöikää sekä käytettävyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tämän väitöskirjan päämääränä on ollut lämpökäsitellyn puun ominaisuuksien tutkiminen ja uuden tiedon saaminen puussa lämpökäsittelyprosessin myötä tapahtuvista muutoksista. Työssä käytettiin useita eri NMR-menetelmiä lämpökäsitellyn mäntypuun (Pinus sylvestris) mikrorakenteen sekä puussa olevan kosteuden aiheuttamien vaikutusten tutkimiseksi. Työssä tutkittiin eri lämpötiloissa käsiteltyjä mäntypuunäytteitä, joita verrattiin vastaaviin käsittelemättömiin näytteisiin. Veden ja metaanin diffuusiota tutkittiin PGSTE-menetelmällä puun erittäin anisotrooppisen solurakenteen sisältämien huokosten mittojen määrittämiseksi. NMR-kryoporometria- ja -relaksometriamittaukset antoivat tietoa puuhun imeytyneen sidotun ja vapaan veden määrästä ja esiintymisympäristöstä. Kryoporometria-mittausten tuloksista saatiin yläraja sidotun veden esiintymispaikkojen koolle, ja kryoporometria- ja relaksometriamittausten tuottaman tiedon yhdistäminen mahdollisti soluseinämien mikrohuokosten koon määrittämisen. Magneettikuvausta käytettiin näytteisiin absorboituneen veden avaruudellisen jakauman määrittämiseen. Käytetyt menetelmät tarjoavat laajan kokonaiskuvan lämpökäsittelyprosessin vaikutuksista puulle. Tämän työn tulokset antavat puutiedettä ja -teollisuutta hyödyttävää uutta tietoa lämpökäsitellyn männyn mikrorakenteesta sekä sen suhteesta kosteuteen. Väitöskirja myös osoittaa käytettyjen NMR-menetelmien soveltuvan hyvin puun tutkimiseen. Tämän tutkimuksen myötä kehitettyjen menetelmien avulla voidaan määrittää mm. optimaalinen lämpökäsittelylämpötila, joka on riittävän korkea haluttujen ominaisuuksien kannalta aiheuttamatta kuitenkaan puun mikrorakenteen hajoamista.