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.