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本章では、Sumo モデルの構成要素（コンポーネント）とプロセスについて詳しく解説する。この情報は、ユーザーがコンポーネント間の相互作用を理解する助けとなり、モデルのロジックや数式表現の背景にある考え方を示すものである。
コンポーネント（状態変数（SV）とも呼ばれる）の種類を区別する記号は 5 つある。
溶存 SV は水を通じて輸送され、コロイド状 SV および粒子状 SV は汚泥の一部となり、その後沈降プロセスによって水から分離される。
| コンポーネント | ||||
|---|---|---|---|---|
| 記号 | 名称 | モデル | 定義 | 単位 |
| SVFA | 揮発性脂肪酸（VFA） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 嫌気環境下で SB から生成される、酢酸およびその他の揮発性脂肪酸の組み合わせを表す発酵生成物。OHO、CASTO（PAO、GAO）、AMETO による生物学的除去、および HFO 還元時の化学的除去に利用可能である。 | g COD.m-3 |
| SB | 易分解性基質（非 VFA） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2S, Sumo4N | VFA に発酵しうる非 VFA 有機物であり、下水中に存在する易分解性有機物の一群を表す。 | g COD.m-3 |
| SB,mono | 単量体としての易分解性基質（非 VFA） | Sumo2C | 主に高速プロセスの第 1 段階で AHO によって消費される、低分子量の基質。 | g COD.m-3 |
| SB,poly | 重合体としての易分解性基質 | Sumo2C | 高速プロセスの第 1 段階では分解されない易分解性基質。第 2 段階で OHO によって消費される。 | g COD.m-3 |
| SMEOL | メタノール（MEOL） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | メチルアルコール、すなわち最も単純なアルコール。脱窒に一般的に用いられる外部炭素源。 | g COD.m-3 |
| CB | コロイド状生分解性基質 | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 生分解性有機コンポーネントであり、凝集（フロック形成）して XB を形成する。分析的には凝集（フロック形成）またはろ過によって近似できる（0.1 ミクロンより大きく 1.2 ミクロンより小さい）。 | g COD.m-3 |
| XB | 難分解性（緩速分解性）基質 | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N |
細胞外酵素によって加水分解され SB を放出する高分子量の粒子状物質。流入水から直接導入される。 Mini_Sumo では、死滅・再生概念モデルにおける細菌の死滅（分解）過程でも放出される。 |
g COD.m-3 |
| XB,e | バイオマス分解由来の難分解性（緩速分解性）基質 | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N |
細胞外酵素によって加水分解され SB を放出する高分子量の粒子状物質であり、XB よりも低い速度で分解される。 死滅・再生概念モデルにおける細菌の死滅（分解）過程で放出される。 |
g COD.m-3 |
| SU | 溶存難分解性有機物 | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水中で生物学的にも化学的にも分解されず、処理水として流出する溶存有機物。通常、硝化プラントの処理水に対して凝集ろ過試験を行うことで測定される。窒素およびリンの含有量も持つ。モデル内で SU を XU から生成するプロセスは、熱加水分解プロセスの 1 つのみである。 | g COD.m-3 |
| CU | コロイド状難分解性有機物 | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 難分解性有機物であり、凝集（フロック形成）して XU を形成し、WAS またはケーキとしてプラントから流出する。分析的には凝集（フロック形成）またはろ過によって近似できる（0.1 ミクロンより大きく 1.2 ミクロンより小さい）。 | g COD.m-3 |
| XU | 粒子状難分解性有機物 | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 1.2 ミクロンより大きい難分解性有機物。加水分解されず、生物学的・化学的反応によっても変換されないまま残る。XU の一部を SU に変換する唯一のユニットは熱加水分解プロセスモデルである。 | g COD.m-3 |
| XSTO | AHO の貯蔵生成物 | Sumo2C | 低 SRT システムにおいて AHO が SB,mono および SVFA を用いて貯蔵する細胞内貯蔵有機物。その生成にはエネルギーや増殖を伴わない。 | g COD.m-3 |
| XPHA,PAO | PAO が貯蔵するポリヒドロキシアルカノエート（PHA） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | CASTO（PAO）の細胞内有機貯蔵生成物とみなされるポリヒドロキシアルカノエート。アルカノエートの組成はポリ-β-ヒドロキシ酪酸として表される。 | g COD.m-3 |
| XPHA,GAO | GAO が貯蔵するポリヒドロキシアルカノエート（PHA） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | CASTO（GAO）の細胞内有機貯蔵生成物とみなされるポリヒドロキシアルカノエート。アルカノエートの組成はポリ-β-ヒドロキシ酪酸として表される。 | g COD.m-3 |
| XE | 内生分解生成物 | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 好気および無酸素環境下での細胞溶解時に放出される有機物であり、1 日あたり 0.07 という極めて遅い変換速度を持ち、SNHx および SPO4 を放出しながら XB に変換される。XE は SRT の増加とともにシステム内に蓄積する。 | g COD.m-3 |
| XE,ana | 嫌気内生分解生成物 | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 嫌気環境下での細胞溶解時に放出され、好気環境下で加水分解されて SB、SNHx、SPO4 を放出する有機物。このコンポーネントは、好気消化後プロセスで観察される追加の VS 分解を担う。 | g COD.m-3 |
| XOHO | 通常従属栄養生物（OHO） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | SB、SVFA、XMEOL を含むさまざまな溶存生分解性有機物を消費する汎用的な通性通常従属栄養生物であり、好気、無酸素、嫌気環境下で生物学的除去を行うことができる。粒子状物質の加水分解も担う。MiniSumo および Sumo1 では、SNOx から SN2 への 1 段階脱窒を行う。その他のモデルでは、SNO3 の SNO2 への還元、および SNO2 の SN2 への還元という 2 段階を行う。 | g COD.m-3 |
| XCASTO | 炭素貯蔵生物（CASTO） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | PAO と GAO の両方の組み合わせを表す、特別な炭素貯蔵従属栄養生物の一群。プロセス条件によって、プロセスモデル内で達成される PAO と GAO の比率が決まる。これらは EBPR プロセスに関与する。嫌気条件下で PHA および／または GLY を貯蔵し、無酸素および好気環境下で貯蔵炭素を消費してポリリン酸（XPP）を生成する。Sumo1 では、SNOx から SN2 への 1 段階脱窒を行う。その他のモデルでは、SNO3 の SNO2 への還元、および SNO2 の SN2 への還元という 2 段階を行う。 | g COD.m-3 |
| XMEOLO | 無酸素メタノール利用生物（MEOLO） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XMEOL の除去を担う特殊な従属栄養生物。メタノールを添加するシステムでのみ見られ、脱窒プロセス中に OHO と競合する。Sumo1 では、SNOx から SN2 への 1 段階脱窒を行う。その他のモデルでは、SNO3 の SNO2 への還元、および SNO2 の SN2 への還元という 2 段階を行う。 | g COD.m-3 |
| XAHO | 炭素吸着従属栄養生物（AHO） | Sumo2C | SB,mono および揮発性脂肪酸（SVFA）として表される易分解性の低分子量成分を XSTO に貯蔵する従属栄養生物。AHO の増殖速度は OHO より高く、2 日未満の短い SRT システムでは OHO を上回って増殖する。XSTO の好気消費のみを行い、流入水から播種されることが想定される。 | g COD.m-3 |
| XNITO | 好気硝化生物（NITO） | Mini_Sumo, Sumo1 | SNHx から SNOx への完全硝化を担う偏性好気独立栄養生物。参照モデルでは簡略化のため AOB と NOB の組み合わせを表す。 | g COD.m-3 |
| XAOB | 好気アンモニア酸化細菌（AOB） | Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 硝化の第 1 段階、SNHx から SNO2 への変換を担う偏性好気独立栄養生物。 | g COD.m-3 |
| XNOB | 亜硝酸酸化細菌（NOB） | Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 硝化の第 2 段階、SNO2 から SNO3 への変換を担う偏性好気独立栄養生物。 | g COD.m-3 |
| XAMX | アナモックス菌（AMX） | Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 亜硝酸を電子受容体、CO2 を主な炭素源として、アンモニウムを酸化する化学独立栄養嫌気細菌。増殖が遅く、倍加時間が長い。 | g COD.m-3 |
| XAMETO | 酢酸資化性メタン生成菌（AMETO） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | SVFA を消費して代謝副産物として SCH4 および SCO2 を生成する嫌気古細菌であり、好気条件下では増殖しない。 | g COD.m-3 |
| XHMETO | 水素資化性メタン生成菌（HMETO） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | SH2 および SCO2 を消費して代謝副産物として SCH4 を生成する嫌気古細菌であり、好気条件下では増殖しない。 | g COD.m-3 |
| XASRO | 酢酸資化性硫酸還元生物（ASRO） | Sumo2S | SSO4 および SVFA を利用して嫌気呼吸を行う細菌および古細菌の一群であり、これを SH2S に還元し SCO2 を生成する。SVFA をめぐって AMETO と競合し、消化槽の性能に悪影響を与える。 | g COD.m-3 |
| XHSRO | 水素資化性硫酸還元生物（HSRO） | Sumo2S | SSO4 および SH2 を利用して嫌気呼吸を行う細菌および古細菌の一群であり、これを SH2S に還元する。SH2 の消費をめぐって HMETO と競合し、消化槽の性能に悪影響を与える。 | g COD.m-3 |
| XSOO | 硫黄酸化生物（SOO） | Sumo2S | 好気および無酸素環境下で SH2S を 2 段階で酸化する。まず SH2S から XS（元素状硫黄）へ、次に XS から SSO4 へ酸化する。 | g COD.m-3 |
| XALGAE | 光合成生物（ALGAE） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 光の存在下で増殖し、栄養塩および SCO2 を同化して SO2 を生成する光合成生物の一群。呼吸を通じて SO2 を消費する。 | g COD.m-3 |
| SNHx | 全アンモニア（NHx） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 全アンモニア性窒素は、アンモニウムと遊離アンモニアの合計である。生物反応速度論的増殖反応に不可欠な栄養塩。 | g N.m-3 |
| SNH2OH | ヒドロキシルアミン（NH2OH） | Sumo4N | AOB が SNHx から生成する中間生成物。その後、好気環境下で SNO に酸化される。また、無酸素環境下で還元されて SN2O を形成する。 | g N.m-3 |
| SNOx | 硝酸と亜硝酸（NOx） | Mini_Sumo, Sumo1 | 硝酸と亜硝酸の合計であり、無酸素反応の電子受容体。参照モデルでは、すべての COD 保存の目的上、硝酸とみなされる。 | g N.m-3 |
| SNO2 | 亜硝酸（NO2） | Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 亜硝酸と硝酸イオンの合計であり、無酸素反応の電子受容体。 | g N.m-3 |
| SNO3 | 硝酸（NO3） | Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 無酸素反応の電子受容体。 | g N.m-3 |
| SNO,AOB | AOB の一酸化窒素（NO） | Sumo4N | AOB が SNH2OH から生成する一酸化窒素であり、SNO2 に酸化されるか、または SN2O に還元される。内部生成物とみなされる。 | g N.m-3 |
| SNO,OHO | OHO の一酸化窒素（NO） | Sumo4N | OHO が SNO2 還元中に生成する一酸化窒素。内部生成物とみなされる。 | g N.m-3 |
| SN2O | 一酸化二窒素（N2O） | Sumo4N | OHO が SNO,OHO から、AOB が SNO,AOB から生成する。 | g N.m-3 |
| SN2 | 溶存窒素（N2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | Sumo4N モデルを除き、脱窒における唯一の窒素性生成物であり、ガス移動の対象となる。 | g N.m-3 |
| SN,B | 溶存生分解性有機 N（SB 由来） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 窒素を含む溶存有機物（尿素、アミノ酸、アミンその他）であり、下水処理におけるアンモニア化によって全アンモニアとして窒素を放出する。モデル内では COD を伴わない。 | g N.m-3 |
| XN,B | 粒子状生分解性有機 N（XB 由来） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 窒素を含む粒子状有機物（タンパク質その他）であり、下水処理における加水分解によって SN,B を放出する。モデル内では COD を持たない。 | g N.m-3 |
| XN,U | 粒子状難分解性有機 N | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 窒素を含む粒子状有機物であり、プラント内で生物学的にも化学的にも分解されず、ケーキ固形物とともに流出する。XN,U を SNHx に分解する唯一のプロセスは熱加水分解プロセスである。 | g N.m-3 |
| SPO4 | オルトリン酸（PO4） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 溶存無機リンであり、リン酸、リン酸二水素イオン、リン酸水素イオン、リン酸イオンの組み合わせを表す。生物反応速度論的増殖反応に不可欠な栄養塩。 | g P.m-3 |
| XPP | 貯蔵ポリリン酸（PP） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | CASTO（PAO）の細胞内無機貯蔵生成物とみなされるポリリン酸。XPP の組成は (Ca0.1K0.1Mg0.35PO3)n である。 | g P.m-3 |
| SP,B | 溶存生分解性有機 P（SB 由来） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | リンを含む溶存有機物であり、下水処理においてリンを SPO4 として放出する。モデル内では COD を持たない。 | g P.m-3 |
| XP,B | 粒子状生分解性有機 P（XB 由来） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | リンを含む粒子状有機物であり、下水処理における加水分解によって SP,B を放出する。モデル内では COD を持たない。 | g P.m-3 |
| XP,U | 粒子状難分解性有機 P | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | リンを含む粒子状有機物であり、プラント内で生物学的にも化学的にも分解されず、ケーキ固形物とともに流出する。XP,U を SPO4 に分解する唯一のプロセスは熱加水分解プロセスのプロセスモデルである。 | g P.m-3 |
| SO2 | 溶存酸素（O2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 溶存酸素は好気システムの主要な電子受容体であり、ガス移動の対象となる。 | g O2.m-3 |
| SCH4 | 溶存メタン（CH4） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 溶存メタンは炭素の最も還元された形態であり、メタン生成の最終生成物。ガス移動の対象となる。 | g COD.m-3 |
| SH2 | 溶存水素（H2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 溶存水素は発酵中に生成され、メタン生成中に SCH4 に変換される。ガス移動の対象となる。 | g COD.m-3 |
| SALK | アルカリ度（ALK） | MiniSumo | 重炭酸塩と仮定され、生物反応速度論的反応における電荷の適切な換算に用いられる。 | eq ALK.L-1 |
| SCO2 | 全無機炭素（CO2） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオンの合計。多くの生物学的反応の最終生成物である。重炭酸塩として硝化の基質であり、メタン生成中にも消費される。 | g TIC.m-3 |
| XINORG | 流入水およびバイオマス中の無機物 | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 流入水およびバイオマス中に存在する無機不活性物質（0.11 g TSS.g COD-1）を表す。SNa、SCl、SCa、SMg の含有量を持つ。 | g TSS.m-3 |
| SCAT | その他の強陽イオン（Na+ として） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | ナトリウムとして表され、バイオマスに不可欠な元素。pH および沈殿反応に関与する。 | g Na.m-3 |
| SAN | その他の強陰イオン（Cl- として） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 塩化物として表され、バイオマスに不可欠な元素。pH および沈殿反応に関与する。 | g Cl.m-3 |
| SCa | カルシウム | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | バイオマスおよび XPP に不可欠な元素であり、pH および沈殿反応に関与する。 | g Ca.m-3 |
| SMg | マグネシウム | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | バイオマスおよび XPP に不可欠な元素。pH および沈殿反応に関与する。 | g Mg.m-3 |
| SK | カリウム | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | バイオマスおよび XPP に不可欠な元素。pH および沈殿反応に関与する。 | g K.m-3 |
| SH2S | 硫化水素（H2S） | Sumo2S | 溶存硫化水素ガスであり、ガス移動、生物学的反応、化学反応の対象となる。 | g S.m-3 |
| SSO4 | 硫酸塩（SO4） | Sumo2S | SH2S 酸化の最終生成物。pH の決定に関与する。 | g S.m-3 |
| XS | 粒子状元素状硫黄（S） | Sumo2S | 部分的な SH2S 酸化の中間生成物。 | g S.m-3 |
| XFeOH | 水酸化第二鉄化合物（FeOH） | MiniSumo | 水酸化第二鉄のリン結合能 | g Fe.m-3 |
| XFeP | リン酸第二鉄化合物（FeP） | MiniSumo | このコンポーネントは、リンが XFeOH に結合することで生成される。 | g Fe.m-3 |
| XAlOH | 水酸化アルミニウム化合物（AlOH） | MiniSumo | アルミニウム水酸化物が持ちうるリン結合能を表す | g Al.m-3 |
| XAlP | リン酸アルミニウム化合物（AlP） | MiniSumo | このコンポーネントは、リンが XAlOH に結合することで生成される。 | g Al.m-3 |
| SFe2 | 第一鉄イオン（Fe2） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 第一鉄イオンは第二鉄イオンに酸化され、その後 XHFO の形成に関与する。嫌気環境下で SH2S を XFeS に、SPO4 を XVivi に沈殿させる。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,H | 活性含水酸化第二鉄、高表面積（HFO,H） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 表面積が大きく、SPO4 の結合能が高い水酸化第二鉄。混合条件が強いほど、XHFO,L に比べて XHFO,H の形成が多くなる。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,L | 活性含水酸化第二鉄、低表面積（HFO,L） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 表面積が小さく、SPO4 の結合能が低い水酸化第二鉄。混合条件が悪いほど、XHFO,H に比べて XHFO,L の形成が多くなる。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,old | 未使用のまま経時劣化した含水酸化第二鉄（HFO,old） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 第二鉄の添加が過剰で、利用可能な SPO4 が少ない場合、形成された XHFO,H および XHFO,L は経時劣化して XHFO,old となる。これらは SPO4 を除去できない。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,H,P | P 結合含水酸化第二鉄、高表面積（HFO,H,P） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHFO,H と形成される Fe-SPO4 錯体。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,L,P | P 結合含水酸化第二鉄、低表面積（HFO,L,P） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHFO,L と形成される Fe-SPO4 錯体。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,H,P,old | 経時劣化した P 結合含水酸化第二鉄、高表面積（HFO,H,P,old） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHFO,H,P の経時劣化形態。 | g Fe.m-3 |
| XHFO,L,P,old | 経時劣化した P 結合含水酸化第二鉄、低表面積（HFO,L,P,old） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHFO,L,P の経時劣化形態。 | g Fe.m-3 |
| XHAO,H | 活性含水酸化アルミニウム、高表面積（HAO,H） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 表面積が大きく、SPO4 の結合能が高い水酸化アルミニウム。混合条件が強いほど、XHAO,L に比べて XHAO,H の形成が多くなる。 | g Al.m-3 |
| XHAO,L | 活性含水酸化アルミニウム、低表面積（HAO,L） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 表面積が小さく、SPO4 の結合能が低い水酸化アルミニウム。混合条件が悪いほど、XHAO,H に比べて XHAO,L の形成が多くなる。 | g Al.m-3 |
| XHAO,old | 未使用のまま経時劣化した含水酸化アルミニウム（HAO,old） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHAO が過剰で、利用可能な SPO4 が少ない場合、形成された XHAO および XHAO,L は経時劣化して XHAO,old となる。これらは SPO4 を除去できない。 | g Al.m-3 |
| XHAO,H,P | P 結合含水酸化アルミニウム、高表面積（HAO,H,P） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHAO,H と形成される Al-SPO4 錯体。 | g Al.m-3 |
| XHAO,L,P | P 結合含水酸化アルミニウム、低表面積（HAO,L,P） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHAO,L と形成される Al-SPO4 錯体。 | g Al.m-3 |
| XHAO,H,P,old | 経時劣化した P 結合含水酸化アルミニウム、高表面積（HAO,H,P,old） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHAO,H,P の経時劣化形態。 | g Al.m-3 |
| XHAO,L,P,old | 経時劣化した P 結合含水酸化アルミニウム、低表面積（HAO,L,P,old） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | XHAO,L,P の経時劣化形態。 | g Al.m-3 |
| XCaCO3 | 炭酸カルシウム（CaCO3） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | pH 制御に不可欠な化学物質 - 容易に形成される沈殿物 | g TSS.m-3 |
| XACP | 非晶質リン酸カルシウム（ACP） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | Ca3(PO4)2 * 4H2O の元素組成。 | g TSS.m-3 |
| XBSH | ブルシャイト（BSH） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | CaHPO4 * 2H2O の元素組成。ストラバイトより低い pH 値で形成される | g TSS.m-3 |
| XSTR | ストラバイト（STR） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 嫌気環境下で形成され、MgNH4PO4 * 6H2O の元素組成を持つ。 | g TSS.m-3 |
| XVivi | ビビアナイト（Vivi） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 嫌気環境下で形成され、Fe3(PO4)2 * 8H2O の元素組成を持つ。 | g TSS.m-3 |
| XFeS | 硫化鉄（FeS） | Sumo2S | 嫌気環境下で形成され、黄鉄鉱形成の前駆体である。 | g TSS.m-3 |
| H | エンタルピー | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | システムの温度を計算するために用いられる、エネルギーに類する特性。流入水ユニットからプラントへと流れる。 | MJ.m-3 |
| SALPHA | アルファ指標 | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水中の界面活性剤組成を表す代替指標。 | unitless |
| SORPswitch | CASTO 活性スイッチ用の ORP ドライバー | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | CASTO の活性を計算するための代替スイッチ。 | unitless |
| GCO2 | 二酸化炭素ガス（CO2） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g TIC.m-3 |
| GCH4 | メタンガス（CH4） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g COD.m-3 |
| GH2 | 水素ガス（H2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g COD.m-3 |
| GO2 | 酸素ガス（O2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g O2.m-3 |
| GNH3 | アンモニアガス（NH3） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g N.m-3 |
| GN2 | 窒素ガス（N2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g N.m-3 |
| GNO | 一酸化窒素ガス（NO） | Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g N.m-3 |
| GN2O | 一酸化二窒素ガス（N2O） | Sumo4N | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g N.m-3 |
| GH2S | 硫化水素ガス（H2S） | Sumo2S | 下水システムの気泡内に表されるガス状形態。 | g S.m-3 |
| GCO2,atm | 二酸化炭素ガス（CO2） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GCH4,atm | メタンガス（CH4） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GH2,atm | 水素ガス（H2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GO2,atm | 酸素ガス（O2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GNH3,atm | アンモニアガス（NH3） | Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GN2,atm | 窒素ガス（N2） | Mini_Sumo, Sumo1, Sumo2, Sumo2C, Sumo2S, Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GNO,atm | 一酸化窒素ガス（NO） | Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GN2O,atm | 一酸化二窒素ガス（N2O） | Sumo4N | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| GH2S,atm | 硫化水素ガス（H2S） | Sumo2S | 下水システム周囲の大気中に表されるガス状形態。 | %v/v |
| SMM,index | メチルメルカプタン生成指標 | Sumo2S | 下水処理施設における臭気発生の可能性を示す代替指標。 | Unitless |
BOD 除去は、可溶性基質成分がバイオマスによって取り込まれ、増殖と呼吸に利用されるプロセスとして特徴づけられる。
コロイド状の生分解性成分は凝集して粒子状成分となる（Flocculation の段落を参照）。粒子状成分は加水分解されて可溶性成分となり、バイオマスがそれを利用して増殖できるようになる（Hydrolysis の段落を参照）。
SB、SVFA、XMEOL を含むさまざまな可溶性生分解性有機物を消費するジェネラリストで通性の通常従属栄養生物であり、好気・無酸素・嫌気の各環境で生物学的除去を行うことができる。粒子状物質の加水分解も担う。MiniSumo と Sumo1 では、1 段階の脱窒、すなわち SNOx から SN2 への還元を行う。その他のモデルでは 2 段階、すなわち SNO3 の SNO2 への還元、および SNO2 の SN2 への還元を行う。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| VFA での好気増殖、O2 |
好気条件下での SVFA による増殖。 SO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| VFA での無酸素増殖、NO2- |
無酸素条件下での SVFA による増殖。これは Sumo2、Sumo2C、Sumo2S における脱窒の第 2 段階であり、SNO2 が SN2 に還元される。 このプロセスは Sumo1 および MiniSumo では記述されていない。 SNO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| VFA での無酸素増殖、NO3- |
無酸素条件下での SVFA による増殖。 これは Sumo1 および MiniSumo における脱窒プロセスであり、SNO3 が SN2 に還元される。 これは Sumo2、Sumo2C、Sumo2S における脱窒の第 1 段階であり、SNO3 が SNO2 に還元される。 SNO3、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| SB での好気増殖、O2 |
好気条件下での SB による増殖。 SO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH |
| SB での無酸素増殖、NO2- |
無酸素条件下での SB による増殖。これは Sumo2、Sumo2C、Sumo2S における脱窒の第 2 段階であり、SNO2 が SN2 に還元される。 このプロセスは Sumo1 および MiniSumo では記述されていない。 SNO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH |
| SB での無酸素増殖、NO3- |
無酸素条件下での SB による増殖。 これは Sumo1 および MiniSumo における脱窒プロセスであり、SNO3 が SN2 に還元される。 これは Sumo2、Sumo2C、Sumo2S における脱窒の第 1 段階であり、SNO3 が SNO2 に還元される。 SNO3、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| 高 VFA での SB 発酵（OHO 増殖、嫌気） |
嫌気条件下での SB による増殖。OHO 発酵菌は 0.3 d-1 という異なる増殖速度を持ち、消化槽は 350 mgCOD/L という異なる KSB,ana を持つ 発酵生成物として SVFA と SH2 を生成する。 高い SVFA 濃度下では、SH2 生成の収率が高くなる（SVFA の生成が少なくなる）。 栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| 低 VFA での SB 発酵（OHO 増殖、嫌気） |
嫌気条件下での SB による増殖。OHO 発酵菌は 0.3 d-1 という異なる増殖速度を持ち、消化槽は 350 mgCOD/L という異なる KSB,ana を持つ 発酵生成物として SVFA と SH2 を生成する。 低い SVFA 濃度下では、SH2 生成の収率が低くなる（SVFA の生成が多くなる）。 栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| SMEOL での好気増殖、O2 |
脱窒のための無酸素炭素添加による残留メタノールを消費するための、メタノールでの OHO 好気増殖。 SO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| OHO 死滅 | 無酸素および好気条件下での OHO 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅・再生成の概念）。 |
| OHO 嫌気死滅 | 嫌気条件下での OHO 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅・再生成の概念）。 |
XMEOL の除去を担うスペシャリストの従属栄養生物。メタノール添加のあるシステムでのみ見られ、脱窒プロセス中に OHO と競合する。Sumo1 では、1 段階の脱窒、すなわち SNOx から SN2 への還元を行う。その他のモデルでは 2 段階、すなわち SNO3 の SNO2 への還元、および SNO2 の SN2 への還元を行う。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| MEOLO 増殖、NO2 |
無酸素条件下での SMEOL による増殖。これは Sumo2、Sumo2C、Sumo2S における脱窒の第 2 段階であり、SNO2 が SN2 に還元される。 このプロセスは Sumo1 および MiniSumo では記述されていない。 SNO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH |
| MEOLO 増殖、NO3 |
無酸素条件下での SMEOL による増殖。 これは Sumo1 および MiniSumo における脱窒プロセスであり、SNO3 が SN2 に還元される。 これは Sumo2、Sumo2C、Sumo2S における脱窒の第 1 段階であり、SNO3 が SNO2 に還元される。 SNO3、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| MEOLO 死滅 | 無酸素および好気条件下での MEOLO 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅・再生成の概念）。 |
| MEOLO 嫌気死滅 | 嫌気条件下での MEOLO 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅・再生成の概念）。 |
硝化速度は、BNR（生物学的栄養塩除去）プラントの設計と信頼性の高いシミュレーションにおいて最も重要なパラメータである。硝化菌の最大比増殖速度は、廃水の種類によって 0.2 から 1 d-1 の範囲となる。このパラメータは廃水特性評価の一部として考慮すべきである。
Sumo には、このプロセスを 3 段階の詳細度で記述する 3 つのモデルが用意されている：
Sumo4N モデルは Focus models mechanisms chapter. で詳しく説明されている。
窒素除去 図 1：1 段階および 2 段階の硝化・脱窒に関与する窒素種の電子当量
MiniSumo と Sumo1 において、SNHx から SNOx への完全な硝化を担う偏性好気の独立栄養生物。当該モデルでは簡略化のため AOB と NOB の組み合わせを表している。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| NITO 増殖 |
SNHx を電子供与体として用いる NITO 増殖プロセス。 SNHx は 1 段階で SNO3 に酸化される。 SCO2 が炭素源として利用される。 SO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| NITO 死滅 | 無酸素および好気条件下での NITO 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する。 |
| NITO 嫌気死滅 | 嫌気条件下での NITO 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する 。 |
Sumo2、Sumo2C、Sumo2S において、SNHx から SNO2 への硝化の第 1 段階を担う偏性好気の独立栄養生物。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| AOB 増殖 |
SNHx を電子供与体として用いる AOB 増殖プロセス。 これは硝化の第 1 段階である：SNHx が SNO2 に酸化される SCO2 が炭素源として利用される。 SO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| AOB 死滅 | 無酸素および好気条件下での AOB 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する。 |
| AOB 嫌気死滅 | 嫌気条件下での AOB 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する 。 |
Sumo2、Sumo2C、Sumo2S において、SNO2 から SNO3 への硝化の第 2 段階を担う偏性好気の独立栄養生物。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| NOB 増殖 |
SNO2 を電子供与体として用いる NOB 増殖プロセス。 これは硝化の第 2 段階である：SNO2 が SNO3 に酸化される SCO2 が炭素源として利用される。 SO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| NOB 死滅 | 無酸素および好気条件下での NOB 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する。 |
| NOB 嫌気死滅 | 嫌気条件下での NOB 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する 。 |
アナモックスは、亜硝酸を電子受容体として、CO2 を主な炭素源としてアンモニウムを酸化する化学独立栄養の嫌気性細菌である。Sumo2、Sumo2C、Sumo2S、Sumo4N の各モデルに実装されている。
アナモックスは増殖が遅く、倍加時間が長い。その増殖反応の化学量論は Strous（1998, 1999）によって記述されている：
NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13 H+ = 0.26 NO3- + 1.02 N2 + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O
この反応は、窒素除去のための完全な硝化・脱窒経路（図 2.1）と比較して、酸素要求量を最大 63%、炭素要求量を 100% 節約できる（図 2.2）。
図 2.1 2 段階の完全な硝化・脱窒反応 
図 2.2 嫌気性アンモニア酸化反応 アナモックス菌は Sumo2、Sumo2C、Sumo2S、Sumo4N の各モデルでモデル化されている。このモデルには、アナモックスの増殖、死滅、嫌気死滅の記述が含まれる。
Sumo におけるアナモックス増殖の化学量論は、Strous が提案した化学量論から導かれている。2 つの化学量論パラメータが導入されている：酸化されるアンモニア 1 モルあたりに利用される亜硝酸の量、および利用されるアンモニア 1 モルあたりに生成される硝酸の量。
| YAMX,NO2 | NO2 に対する AMX の収率 | 1.32 | mol NO2/mol NH4 |
| YAMX,NO3 | NO3 に対する AMX の収率 | 0.26 | mol NO3/mol NH4 |
一般的なバイオマス組成 CaCHaHOaONaN を考える。このバイオマスの理論酸素要求量は定義により次のとおりである：
BioThOD = (aC + aH/4 - 3 * aN/4 - aO/2) * 2 * AMO
ここで AMO は酸素の原子量である。
非荷電種を考慮すると、アナモックス反応は次のように設定される：
(vNH3 + aN) * NH3 + vHNO2 * HNO2 + aC * CO2 = CaCHaHOaONaN + vN2 * N2 + vHNO3 * HNO3 + vH2O * H2O
ここで vNH3、vHNO2、vN2、vHNO3、vH2O は、亜硝酸によるアンモニア酸化反応の化学量論係数である。
この反応から 5 つの式を導くことができる：
これら 5 つの式を用いて、5 つの未知数 vNH3、vHNO2、vHNO3、vN2、vH2O を求めることができる。記号による解法のために、python で以下のコードが実行される：
from sympy import symbols, solve, Eq
NH3, vNH3, HNO2, vHNO2, CO2, H3PO4, N2, vN2, HNO3, vHNO3, H2O, vH2O, YNO2, YNO3, aC, aH, aO, aN =
symbols('NH3, vNH3, HNO2, vHNO2, CO2, H3PO4, N2, vN2, HNO3, vHNO3, H2O, vH2O, YNO2, YNO3, aC, aH, aO, aN')
solve(( Eq(YNO2, vHNO2*N/(vNH3*N)), Eq(YNO3, vHNO3*N/(vNH3*N)), Eq( 3*(vNH3+aN)+vHNO2,aH+vHNO3+2*vH2O), Eq( vNH3+vHNO2,vHNO3+2*vN2), Eq(2*vHNO2+2*aC,aO+3*vHNO3+vH2O)), vNH3, vHNO2, vHNO3, vN2, vH2O)
結果は次のとおりである（vH2O はモデルに含まれないため示していない）：
vNH3 = (4 * aC + aH - 3 * aN - 2 * aO) /(-3 * YNO2 + 5 * YNO3 + 3)
vHNO2 = YNO2 * (4 * aC + aH - 3 * aN - 2 * aO)/(-3 * YNO2 + 5 * YNO3 + 3)
vHNO3 = YNO3 * (4 * aC + aH - 3 * aN - 2 * aO)/(-3 * YNO2 + 5 * YNO3 + 3)
vN2 = (4 * YNO2 * aC + YNO2 * aH - 3 * YNO2 * aN - 2 * YNO2 * aO - 4 * YNO3 * aC - YNO3 * aH + 3 * YNO3 * aN +
+ 2 * YNO3 * aO + 4 * aC + aH - 3 * aN - 2 * aO) /(2 * (-3 * YNO2 + 5 * YNO3 + 3))
これらの係数は、バイオマス COD 1 グラムあたり（すべてのバイオマス増殖反応における任意の基準）および g N 単位に変換しなければならない。その後、vNH3、vHNO2、vHNO3 に AMN/BioThOD を掛け、vN2 に 2*AMN/BioThOD を掛ける。係数 aN はバイオマスの窒素含有量 iN,Bio である。バイオマスの窒素含有量が明示的に表現されるため、バイオマスの理論 COD の定義は次のように改められる：
BioThOD=(aC+aH/4-aO/2)*2*AMO.
消費される成分に対する負符号の慣例も追加される。これにより、次の化学量論係数の式が得られる：
vNH3 = -(3 * iN,BIO * AMO + 2 * AMN) /(5 * YAMX,NO3 + 3 - 3 * YAMX,NO2) /AMO
vHNO2= -YAMX,NO2 /(5 * YAMX,NO3 + 3 - 3 * YAMX,NO2) * (3 * iN,BIO * AMO + 2 * AMN) /AMO
vHNO3= YAMX,NO3 /(5 * YAMX,NO3 + 3 - 3 * YAMX,NO2) * (3 * iN,BIO * AMO + 2 * AMN) /AMO
vN2 = 2 * (YAMX,NO3 * AMN - 1 * AMN - 1 * YAMX,NO2 * AMN + 4 * YAMX,NO3 * iN,BIO * AMO -
-3 * YAMX,NO2 * iN,BIO * AMO) /AMO /(3 * YAMX,NO2 - 5 * YAMX,NO3 - 3)
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| 増殖 |
SNHx を電子供与体、SNO2 を電子受容体として用いる AMX 増殖プロセス。反応により SNO3 と SN2 が生成される。 化学量論は上記に記述されている。 SCO2 が炭素源として利用される。 SNHx、SNO2、栄養塩（SNHx、SPO4、SCAT、SAN、SCa、SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH。 |
| 死滅 | 無酸素および好気条件下での AMX 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する。 |
| 嫌気死滅 | 嫌気条件下での AMX 死滅プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する 。 |
Strous, M., Heijnen, J., Kuenen, J. et al. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms. Appl Microbiol Biotechnol 50, 589–596 (1998). https://doi.org/10.1007/s002530051340
Strous, M., Fuerst, J., Kramer, E. et al. Missing lithotroph identified as new planctomycete. Nature 400, 446–449 (1999). https://doi.org/10.1038/22749
Takács, I., Vanrolleghem, P.A., Wett, B., Murthy, S., 2007. Elemental balance based methodology to establish reaction stoichiometry in environmental modeling. Water Sci. Technol. 56, 37–41.
硝化は次の要因の影響を受ける：
好気セル内のアンモニアレベルが半飽和に近い場合は、反応槽を押出流れ（プラグフロー）としてシミュレートすることが重要である。
configure タブでは、2 種類のプロセスユニットモデルオプションを選択できる：Mainstream または Sidestream（例えば CSTR が選択されている場合、これらは configure タブから選択できる）
サイドストリーム反応槽の増殖速度と半飽和定数は、拡散の問題、遠心分離液（セントレート）中の阻害化合物、温度の影響により異なる。
硝化菌の増殖速度を測定するために、2 種類の異なる試験を行うことができる：
脱窒は、従属栄養生物の増殖プロセスにおいて電子受容体として用いられる酸化された形態の酸素の還元プロセスである。脱窒が完全であれば、これらの電子受容体は順次還元されて窒素ガス（SN2）となる。
脱窒は炭素源の利用可能性の影響を受ける。RBCOD 濃度を把握することは、窒素除去の設計とモデリングにおいて極めて重要である。 脱窒速度は次の要因によって制御される：
メインストリームの部分脱窒・アナモックス（PdNA）プロセスの実装を成功させることは、低いエネルギー需要と炭素添加コストで将来の厳しい処理水全窒素目標を達成するために不可欠である。PdNA は、（特定の種類の）炭素を無酸素ゾーンに十分に添加することに依存しており、これにより従属栄養脱窒が（部分脱窒を通じて）亜硝酸を生成し、これがアナモックスの増殖に必要となる。このような複雑な生物学的プロセスをモデル化できなければ、優れた設計や最適化された運転戦略の特定は不可能である。
現行のモデルでは、炭素の種類やシステムの炭素対硝酸比に基づく亜硝酸の蓄積を扱えない。この結果、従属栄養脱窒菌と並行してアナモックスを増殖させるための正しい設計条件を評価できず、しばしば炭素添加量の過大評価につながっていた。
設計・研究エンジニアの取り組みを支援するため、Sumo24 の 2 段階硝化・脱窒モデルは PdNA プロセスをシミュレートできるよう改良された。炭素対硝酸比に基づき、メタノールと揮発性脂肪酸を 2 つの炭素源として用いることに関連する機構が導入され、低い炭素添加下での亜硝酸の蓄積を可能にしている。開発されたモデルは文献のデータを用いて校正されている。
モデルは次のように挙動する：
初期 VFA 濃度 150 g/m3 での PdNA バッチ試験
生物学的リン除去は、活性汚泥プロセスにおいて主に2つの経路によって達成される。
Sumo は、揮発性脂肪酸（VFA）を巡って2つのバイオマス画分が競合するモデルを使用する。一方はリン酸を貯蔵し（リン蓄積生物、PAO）、もう一方はグリコーゲンを貯蔵する（グリコーゲン蓄積生物、GAO）。これらのバイオマス画分はモデル内では1つの統合されたバイオマス（炭素貯蔵生物、CASTO）として表現されるが、PAO または GAO に固有のプロセスは、外部（周囲条件）または内部（代謝）の駆動力が要求する場合に区別される。GAO と PAO の比率は、系内の全貯蔵炭素（XSTC = XPHA,PAO + XPHA,GAO）に対する貯蔵ポリヒドロキシアルカノエート（それぞれ PHA,GAO と PHA,PAO）の量によって追跡される。
なお、GAO は炭素貯蔵として PHA とグリコーゲンの両方を貯蔵するが、Sumo では状態変数として PHA 貯蔵のみが考慮される。
主要プロセスを含む Bio-P モデル構造。GAO と PAO による VFA 貯蔵の競合を制御するために、ロジスティック ORP スイッチ関数が用いられる。低い ORP では GAO の貯蔵が阻害され、PAO の貯蔵が優先される。もう1つの ORP スイッチ関数は、深い ORP 領域下での Tetrasphaera 様 PAO の発酵活性を制御するために使用される。
ORP の変化（急速に起こりうる）に伴うバイオマス応答の遅れを考慮するため、調節役の状態変数（SOPRswitch、「CASTO 活性スイッチのための ORP ドライバー」と呼ばれる）がモデルに導入され、この変数の値を次の一次速度式に従って変化させるプロセスとともに導入された。
dSORPswitch/dt = kORPswitch * (ORP + offsetORPswitch – SORPswitch)
ここで:
その効果は、SORPswitch が実際の ORP との実際の差に応じた遅れをもって ORP に追随することである。後者の小さな変化に対しては SORPswitch は素早く追いつくが、急激な変化に対しては SORPswitch が ORP に追いつくのに時間がかかり、その結果 SORPswitch は ORP に比べて変動の少ない時間経過となる。応答時間は kORPswitch パラメータを操作することで調整できる。kORPswitch パラメータのデフォルト値は 24 d-1 であり、これは変化が1時間程度のオーダーで起こることを可能にする（デフォルトパラメータを用いて SBR のような動的システムにモデルを適用できるようにするため）。
PAO/GAO の VFA 貯蔵メカニズムは、すべてのプラントワイドプロセスモデルにおいて、ORP の代わりに新しい SORPswitch 変数によって駆動されるように設定されている。
酸化還元電位は通常、下水中で正確に測定することが難しい。ORP 値はモデル内で、条件に応じて推定される。
最終的な ORP は、好気・無酸素・嫌気の ORP のうちの最大値である。
初期 DO 8 g/m3 および NOx 30 g/m3 での 3% MLSS 汚泥のバッチ試験
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| PHA,PAO および PHA,GAO、O2 上での CASTO 増殖 |
PHA,PAO/PHA,GAO → CASTO O2 を必要とする。 反応速度パラメータ ・ µCASTO: Maximum specific growth rate of CASTOs
・ KSTC: Half-saturation of PHA,PAO and PHA,GAO for CASTOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
反応速度の制限／阻害 ・ Monod ratio saturation function on substrate: MRsatXSTC,XCASTO,KSTC
・ Monod saturation function on electron acceptor: O2 → MsatSO2,KO2,CASTO
・ Monod saturation functions on nutrients: NHx, PO4, cations, anions, calcium and magnesium: MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa,PAO, MsatSMg,KMg,PAO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
|
| PHA,PAO および PHA,GAO、NOx/NO2/NO3 上での CASTO 増殖 |
PHA,PAO/PHA,GAO → CASTO NOx/NO2/NO3 を必要とする。 反応速度パラメータ ・ µCASTO: Maximum specific growth rate of CASTOs
・ ηCASTO,anox: Reduction factor for anoxic growth of CASTOs on NOx
・ KSTC: Half-saturation of PHA,PAO and PHA,GAO for CASTOs
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
反応速度の制限／阻害 ・ Monod ratio saturation function on substrate: MRsatXSTC,XCASTO,KSTC
・ Monod saturation function on electron acceptor:
・ NO2 → MsatSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MsatSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on NO2: MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod saturation functions on nutrients: NHx, PO4, cations, anions, calcium and magnesium: MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa,PAO, MsatSMg,KMg,PAO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
|
| PAO のポリリン酸貯蔵、O2 |
SPO4 → XPP O2 を必要とする。 反応速度パラメータ ・ qPAO,PP: Maximum polyphosphate uptake rate of PAOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KPO4,PAO,AS: Half-saturation of PO4 for PAOs (AS)
・ KiPP,PAO,max: Half-inhibition of maximum PP content of PAOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod saturation function on electron acceptor: O2 → MsatSO2,KO2,CASTO
・ Logistic saturation function on substrate: LogsatSPO4,KPO4,PAO
・ Logistic inhibition function on product: LoginhXPP,XPAO,max
・ Monod saturation functions on nutrients as calcium, magnesium and potassium: MsatSCa,KCa,PAO, MsatSMg,KMg,PAO, MsatSK,KK,PAO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
|
| PAO のポリリン酸貯蔵、NOx/NO2/NO3 |
SPO4 → XPP NOx/NO2/NO3 を必要とする。 反応速度パラメータ ・ qPAO,PP: Maximum polyphosphate uptake rate of PAOs
・ ηCASTO,anox: Reduction factor for anoxic growth of CASTOs
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KPO4,PAO,AS: Half-saturation of PO4 for PAOs (AS)
・ KiPP,PAO,max: Half-inhibition of maximum PP content of PAOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod saturation function on electron acceptor: O2 → MsatSO2,KO2,CASTO
・ Logistic saturation function on substrate: LogsatSPO4,KPO4,PAO
・ Logistic inhibition function on product: LoginhXPP,XPAO,max
・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on NO2: MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod saturation functions on nutrients as calcium, magnesium and potassium: MsatSCa,KCa,PAO, MsatSMg,KMg,PAO, MsatSK,KK,PAO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
|
| PHA,PAO、O2 上での PAO 増殖；PO4 制限 |
PHA,PAO → CASTO O2 と PP を必要とする。 反応速度パラメータ ・ µPAO,lim: Maximum specific growth rate of CASTOs under P limited
・ KPHA,PAO: Half-saturation of PHA,PAO for PAOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KiPO4,lim,AS: Half-inhibition of PO4 for PAOs under PO4 limitation (AS)
・ KPP,lim: Half-saturation of PP (nutrient) for PAOs under PO4 limitation (AS)
反応速度の制限／阻害 ・ Monod ratio saturation function on substrate: MRsatXPHA,XPAO,KPHA
・ Monod saturation function on electron acceptor: O2 → MsatSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on PO4: MinhSPO4,KiPO4,lim
・ Monod saturation function on XPP: MsatXPP,KPP,lim
・ Monod saturation functions on nutrients: NHx, cations, anions, calcium and magnesium: MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa,PAO, MsatSMg,KMg,PAO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
|
| PHA,PAO、NOx/NO2/NO3 上での PAO 増殖；PO4 制限 |
PHA,PAO → CASTO NOx/NO2/NO3 と PP を必要とする。 反応速度パラメータ ・ µPAO,lim: Maximum specific growth rate of CASTOs under P limited
・ KPHA,PAO: Half-saturation of PHA for PAOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KiPO4,lim,AS: Half-inhibition of PO4 for PAOs under PO4 limitation (AS)
・ KPP,lim: Half-saturation of PP (nutrient) for PAOs under PO4 limitation (AS)
反応速度の制限／阻害 ・ Monod ratio saturation function on substrate: MRsatXPHA,XPAO,KPHA
・ Monod saturation function on electron acceptor:
・ NO2 → MsatSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MsatSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on NO2: MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod inhibition function on PO4: MinhSPO4,KiPO4,lim
・ Monod saturation function on XPP: MsatXPP,KPP,lim
・ Monod saturation functions on nutrients: NHx, cations, anions, calcium and magnesium: MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa,PAO, MsatSMg,KMg,PAO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
|
| VFA からの PAO の PHA,PAO 貯蔵と PO4 放出 |
VFA → PHA,PAO and XPP → SPO4 反応速度パラメータ ・ qPAO,PHA: Rate of VFA storage into PHA for PAOs
・ KVFA,CASTO,AS: Half-saturation of VFA storage for CASTOs (AS)
・ KPP: Half-saturation of PP for PAOs
・ KiPHA,PAO,max: Half-inhibition of maximum PHA content of PAOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod saturation function on VFA: MsatSVFA,KVFA,CASTO
・ Monod ratio saturation function on PP: MRsatXPP,XPAO,KPP
・ Logistic inhibition function on product: LoginhXPHA,XPAO,max
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| VFA からの GAO の PHA,GAO 貯蔵 |
VFA → PHA,GAO 反応速度パラメータ ・ qGAO,PHA: Rate of VFA storage into PHA,GAO for GAOs
・ KVFA,CASTO,AS: Half-saturation of VFA storage for CASTOs (AS)
・ KiPHA,GAO,max: Half-inhibition of maximum PHA content of GAOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod saturation function on VFA: MsatSVFA,KVFA,CASTO
・ Logistic inhibition function on product: LoginhXPHA,XGAO,max
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| CASTO 好気維持 |
PHA,PAO → CO2 and PHA,GAO → CO2 O2 を必要とする。 反応速度パラメータ ・ bSTC: Rate of CASTOs maintenance on PHA,PAO and PHA,GAO
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KSTC: Half-saturation of PHA,PAO and PHA,GAO for CASTOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod saturation function on electron acceptor: O2 → MsatSO2,KO2,CASTO
・ Monod ratio saturation function on STC: MRsatXSTC,XCASTO,KSTC
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| CASTO 無酸素維持、NOx/NO2/NO3 |
PHA,PAO → CO2 and PHA,GAO → CO2 NOx/NO2/NO3 を必要とする。 反応速度パラメータ ・ bSTC: Rate of CASTOs maintenance on PHA,PAO and PHA,GAO
・ ηbSTC,anox: Reduction factor for anoxic maintenance of CASTOs on PHA,PAO and PHA,GAO
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
・ KSTC: Half-saturation of PHA,PAO and PHA,GAO for CASTOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on NO2: MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod saturation function on electron acceptor:
・ NO2 → MsatSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MsatSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod ratio saturation function on STC: MRsatXSTC,XCASTO,KSTC
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| GAO 嫌気維持 |
PHA,GAO → VFA 反応速度パラメータ ・ bSTC: Rate of CASTOs maintenance
・ ηbGLY,ana: Reduction factor for anaerobic maintenance of CASTOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
・ KPHA,GAO: Half-saturation of PHA,GAO for GAOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on:
・ NO2 → MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MinhSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod ratio saturation function on PHA,GAO: MRsatXPHA,XGAO,KPHA
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| 維持のための PP 開裂 |
PP → PO4 速度式は、好気・無酸素・嫌気の PP 開裂を次のようにカバーする（Sumo1、MODEL シート、行27、列 CB）: r24 = bPP,ana,T * XPAO * LogsatXPP,KPO4,PAO * (ηbPP,aer * MRinhXPHA,XPAO,KPHA,cle * MsatSO2,KO2,CASTO + ηbPP,anox * MinhSO2,KO2,CASTO * MsatSNOx,KNOx,CASTO + MinhSO2,KO2,CASTO * MinhSNOx,KNOx,CASTO) 反応速度パラメータ ・ bPP,ana: Rate of PAOs maintenance under anaerobic conditions (PP cleavage)
・ ηbPP,aer: Reduction factor for aerobic maintenance of PAOs on PP
・ ηbPP,aer: Reduction factor for aerobic maintenance of PAOs on PP
・ ηbPP,anox: Reduction factor for anoxic maintenance of PAOs on PP
・ KPO4,PAO,AS: Half-saturation of PO4 for PAOs (AS)
・ KPHA,cle: Half-saturation of PHA for PAOs at PP cleavage
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
反応速度の制限／阻害 ・ Logistic saturation function on substrate: LogsatXPP,KPO4,PAO
・ Monod ratio inhibition function on PHA: MRinhXPHA,XPAO,KPHA,cle
・ Monod saturation function on O2: MsatSO2,KO2,CASTO
・ Monod saturation function on:
・ NO2 → MsatSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MsatSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on:
・ NO2 → MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MinhSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
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| 高 VFA での SB 発酵（PAO 増殖、嫌気） |
SB → VFA + CASTO 反応速度パラメータ ・ µFERM,PAO: Fermentation growth rate of PAOs
活性の制限 ・ actFERM,PAO,ORP: Fermentation activity switch for ORP
反応速度の制限／阻害 ・ Logistic saturation function on VFA: LogsatSVFA,KVFA,FERM
・ Monod saturation function on SB: MsatSB,KSB,ana
・ Monod saturation functions on nutrients: NHx, PO4, cations, anions, calcium and magnesium: MsatSNHx,KNHx,BIO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
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| 低 VFA での SB 発酵（PAO 増殖、嫌気） |
SB → VFA + CASTO 反応速度パラメータ ・ µFERM,PAO: Fermentation growth rate of PAOs
活性の制限 ・ actFERM,PAO,ORP: Fermentation activity switch for ORP
反応速度の制限／阻害 ・ Logistic inhibition function on VFA: LoginhSVFA,KVFA,FERM
・ Monod saturation function on SB: MsatSB,KSB,ana
・ Monod saturation functions on nutrients: NHx, PO4, cations, anions, calcium and magnesium: MsatSNHx,KNHx,BIO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ Monod saturation functions on CO2: MsatSCO2,KCO2,BIO
・ Bell shape inhibition function on pH: BellinhpH
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| CASTO 死滅 |
CASTO → XB,e and XE under anoxic and aerobic conditions. 反応速度パラメータ ・ bCASTO: Decay rate of CASTOs
・ ηbCASTO,anox: Reduction factor for anoxic decay of CASTOs
・ KSTC: Half-saturation of PHA,PAO and PHA,GAO for CASTOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
・ KPP: Half-saturation of PP for PAOs
反応速度の制限／阻害 ・ Monod ratio inhibition function on STC: MRinhXSTC,XCASTO,KSTC
・ Monod saturation function on O2: MsatSO2,KO2,CASTO
・ Monod ratio inhibition function on PP: MRinhXPP,XPAO,KPP
・ Monod saturation function on:
・ NO2 → MsatSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MsatSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on:
・ NO2 → MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MinhSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
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| CASTO 嫌気死滅 |
CASTO → XB,e and XE under anaerobic conditions. 反応速度パラメータ ・ bCASTO: Decay rate of CASTOs
・ ηbCASTO,ana: Reduction factor for anaerobic decay of CASTOs
・ KO2,CASTO,AS: Half-saturation of O2 for CASTOs (AS)
・ KNOx,CASTO,AS/KNO2,CASTO,AS/KNO3,CASTO,AS: Half-saturation of NOx/NO2/NO3 for CASTOs (AS)
・ KPP: Half-saturation of PP for PAOs
・ KGLY: Half-saturation of glycogen for GAOs (AS)
・ mtox,ana,max: Toxicity factor of aerobes under anaerobic conditions (maximum)
反応速度の制限／阻害 ・ Monod ratio inhibition function on PHA,GLY: MRinhXPHA,XGAO,KPHA
・ Monod ratio inhibition function on PP: MRinhXPP,XPAO,KPP
・ Monod inhibition function on O2: MinhSO2,KO2,CASTO
・ Monod inhibition function on:
・ NO2 → MinhSNO2,KNO2,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ NO3 → MinhSNO3,KNO3,CASTO (Sumo2, 2C, 2S)
・ First order toxicity: XCASTO * mtox,ana
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リンは次の方法で化学的に除去できる。
化学的沈殿モデルは専用の段落で説明されている。
すべての Sumo モデルは、3 種類のバイオマスが関与する嫌気性消化プロセスを記述する。すなわち、発酵プロセスを伴う OHO、酢酸資化性メタン生成菌（AMETO）、および水素資化性メタン生成菌（HMETO）である。
嫌気性消化の典型的な経路は、（OHO とメタン生成菌を除く）すべてのバイオマスの溶菌、生分解性粒子状基質の加水分解、発酵、そしてメタン生成であり、これらを経てメタンが生成される。
典型的な嫌気性消化プロセスの経路OHO の発酵プロセスについては、BOD 除去の段落で記述されている。
SVFA を消費して代謝副産物として SCH4 と SCO2 を生成し、好気条件下では増殖しない嫌気性古細菌。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| AMETO growth |
基質は SVFA であり、SCH4 を生成する。 SVFA が過剰になると Haldane 型の SVFA 阻害が生じる 遊離アンモニア阻害 栄養塩（SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数: BellinhpH。 |
| AMETO decay | 無酸素および好気条件下での AMETO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅再生成概念）。 |
| AMETO anaerobic decay | 嫌気条件下での AMETO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅再生成概念）。 |
SH2 と SCO2 を消費して代謝副産物として SCH4 を生成し、好気条件下では増殖しない嫌気性古細菌。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| HMETO growth |
基質は H2 であり、SCH4 を生成する。 栄養塩（SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数: BellinhpH。 |
| HMETO decay | 無酸素および好気条件下での HMETO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅再生成概念）。 |
| HMETO anaerobic decay | 嫌気条件下での HMETO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅再生成概念）。 |
凝集（フロック形成）は、液相中のコロイド性成分がより大きなフロックへと凝集し、その結果として粒子状物質として振る舞うプロセスである。Sumo モデルにおいて凝集（フロック形成）プロセスは、コロイド性成分の粒子状物質への変換である。プロセス速度は総バイオマス濃度に依存する。
金属塩（HFO としての鉄、または HAO としてのミョウバン）の添加はコロイド性物質の凝集（フロック形成）速度を増大させ、この目的のために初沈池での薬品添加として利用できる。
加水分解は、大きな分子がより小さな分子へと分解され、それが液相中で可溶性となり、一定の遅れ（酵素処理、化学的溶解、物質移動、貯蔵など）を伴って細菌の増殖に利用可能となるプロセスである。
有機分子の由来に応じて、2 種類の加水分解反応を区別できる。すなわち、流入水に由来する「一次基質」の加水分解と、バイオマスの代謝や死滅によって生成される物質、いわゆる「二次基質」の加水分解であり、後者では原生動物が重要な役割を果たすことがある（Morgenroth et al., 2002）。その結果、Sumo モデルのように死滅再生成概念を用いてバイオマスの死滅をモデル化するモデルでは、これら 2 種類の加水分解を単一のプロセスに統合するのに対し、内生呼吸概念の場合は二次基質の加水分解を内生呼吸および維持プロセスを通じてモデル化する。
複数の著者が、異なる加水分解速度をもつ粒子状有機物の並列加水分解を実装している（Ohron et al, 1998; Larrea et al., 2002）。供給原料中の一次汚泥と二次汚泥の割合が異なる場合の嫌気性消化モデリングは、2 つの粒子状基質を用いることでより良好にシミュレーションできることが実証されている。すなわち、より高い加水分解速度をもつ流入水由来の粒子状基質と、より低い加水分解速度をもつバイオマス死滅由来の粒子状基質である。
Sumo において加水分解は、粒子状成分が可溶性成分へと変換される生物学的プロセスである。2 つの粒子状基質が区別される:
プロセス速度は XB,e（1 d-1）よりも XB（3 d-1）の方が高く、従属栄養生物バイオマスの濃度に依存する。
Larrea, L., Irizar, I., Hildago, M.E., 2002. Improving the predictions of ASM2d through modelling in practice. Water Sci. Technol. 45, 199–208.
Morgenroth, E., Kommedal, R., Harremoes, P., 2002. Processes and modeling of hydrolysis of particulate organic matter in aerobic wastewater treatment - A review. Water Sci. Technol. 45, 25–40.
Orhon, D., Cokgor, E.U., Sozen, S., 1998. Dual hydrolysis model of the slowly biodegradable substrate in activated sludge systems. Biotechnol. Tech. 12, 737–741.
Ozyildiz, G., Zengin, G.E., Güven, D., Cokgor, E., Özdemir, Ö., Hauduc, H., Takács, I., Insel, G., 2023. Restructuring anaerobic hydrolysis kinetics in plant-wide models for accurate prediction of biogas production. Water Res. 245, 120620. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120620
アンモニア化プロセスは、有機態窒素が可溶性アンモニアへと変換される窒素循環の一部である。Sumo モデルでは、可溶性有機態窒素化合物がアンモニアへと変換される。プロセス速度は従属栄養生物バイオマスの濃度に依存する。
生物学的リン変換はアンモニア化プロセスと類似しているが、このプロセスでは有機態リンがリン酸へと変換される。プロセス速度は従属栄養生物バイオマスの濃度に依存する。
Sumo モデルではこのプロセスは、XE を粒子状生分解性基質へと緩やかに変換することにより、内生死滅産物の極めて遅い加水分解を模擬するために用いられる。プロセス速度は従属栄養生物バイオマスの濃度に依存する。
嫌気条件下でのメタノール利用生物の発酵プロセス。プロセス速度はメタノール利用生物の濃度に依存する。
アンモニアの利用可能性が制限された条件下でのみ生じるプロセス。バイオマスを電子供与体として SNO3 と SNO2 を SNHx へ還元することで、バイオマスの増殖に十分なアンモニア生成を確保する。
光合成プロセスは Gen3 pond プロセスユニットでのみ活性となる。光合成生物（XALGAE）は、増殖・呼吸・死滅を行う 1 つのバイオマス群として扱われる。
増殖はユーザー入力「Solar radiation for algal photosynthesis - depth averaged」に依存し、この値は時刻（夜間は日射がない）、緯度、季節、雲量、さらに池の深さによって変動しうる。これらの要因を考慮して深さ平均日射量を指定することはユーザーの責任である。日射量の日変動および季節変動の指定は Input Dynamics を用いて可能である。
流入水中の粒子状物質、さらに藻類自体による水柱内の遮光効果は、パラメータ「TSS concentration for calculating light extinction switching factor」を用いて考慮される。水柱内のシミュレートされた TSS 濃度がこの値に近づくと、「Solar radiation for algal photosynthesis - depth averaged」に指定された値がいくらであっても、藻類の増殖速度はゼロに切り替わる。
藻類の増殖には栄養源としてのアンモニアの同化が伴うが、アンモニアが制限的になる場合には硝酸塩が同化される。リンおよび二酸化炭素も増殖のために同化される。
藻類の呼吸は酸素が利用可能なときにシミュレートされる。呼吸とは、酸素を用いた酸化によって藻類を水、CO2、アンモニア、リン酸へと変換することを意味する。酸素が存在しない場合、呼吸速度はゼロに切り替わり、藻類の死滅が作動する。死滅とは、藻類が粒子状有機物、アンモニア、リン酸へと溶菌することを意味し、酸素が存在しない池の底泥で生じる。
本章では、モデルの機構を詳細に記述し、関連する文献を参照する。
フルプラントモデル SUMO2（Dynamita, 2016、前章で記述）は、典型的な生物学的および物理化学的モデルを考慮したものであったが、既存モデルの批判的レビューおよび実験データに従って必要な成分およびプロセスを含めるように改変された。その内容は Sumo2C Figure 1 に要約されている:
Sumo2C Figure 1 - 改変モデルにおいて有機物の除去および回収のために追加・改変された生物学的プロセス
SB,mono として表される易分解性の低分子量成分および揮発性脂肪酸（SVFA）を XSTO へ貯蔵する従属栄養生物。AHO の増殖速度は OHO のそれよりも高く、SRT が 2 日未満の短い系では OHO を凌駕する。AHO は XSTO の好気的消費のみを行い、流入水から播種されると想定される。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| AHO storage of SB,mono | エネルギーを要さずに SB,mono を XSTO へ貯蔵 |
| AHO storage of SVFA | エネルギーを要さずに SVFA を XSTO へ貯蔵 |
| AHO growth on XSTO, O2 | O2、XSTO、および栄養塩を必要とする。これが AHO 増殖プロセスである。 |
| AHO decay | 無酸素および好気条件下での AHO の死滅（decay）プロセスで、XB,e、CB、XE の放出をもたらす。 XSTO も XSTO/XAHO の割合で放出されると見なされる。 |
| AHO anaerobic decay | 嫌気条件下での AHO の死滅（decay）プロセスで、XB,e、CB、XE,ana の放出をもたらす。 XSTO も XSTO/XAHO の割合で放出されると見なされる。 |
Haider, S., Svardal, K., Vanrolleghem, P.A., Kroiss, H., 2003. The effect of low sludge age on wastewater fractionation (S(S), S(I)). Water Sci. Technol. J. Int. Assoc. Water Pollut. Res. 47, 203–209.
Nogaj, T., Randall, A., Jimenez, J., Takacs, I., Bott, C., Miller, M., Murthy, S., Wett, B., 2015. Modeling of organic substrate transformation in the high-rate activated sludge process. Water Sci. Technol. 71, 971–979. https://doi.org/10.2166/wst.2015.051
以下の文献レビューに従い、生物学および化学が必要な成分・化学種・反応をもって拡張された。Sumo2S Figure 1 は Sumo© モデル（Dynamita 2018）に実装された硫黄循環と、リンおよび鉄の循環との相互作用を統合したものである。
Sumo2S Figure 1 - フルプラントモデルに実装されたリン、硫黄、鉄の循環の相互作用。
Sumo に含まれる硫黄モデルは、硫黄の 3 つの酸化状態を含む。すなわち、SSO4 としての硫酸塩（SO4-2）、XS としての元素状硫黄（S0）、および SH2S としての硫化物（S-）である。
鉄については、モデルに 2 つの酸化状態が含まれる。含水酸化第二鉄（HFO）の化学種は、化学的リン処理のためにベースモデルにすでに含まれている。これらの状態変数（フロックのサイズおよび P 結合状態に応じて XHFO,H, XHFO,L, XHFO,old, XHFO,H,P, XHFO,L,P, XHFO,H,P,old, XHFO,L,P,old）は、第二鉄（Fe3+）が水にわずかしか溶けないため、モデルにおける唯一の第二鉄（Fe3+）化学種と見なされる（Hauduc et al., 2015）。XHFO は 7 つの HFO 状態変数の合計となる算出変数である。第一鉄（Fe2+）については、新たな状態変数が SFe2 としてモデルに含められ、第一鉄酸化物は考慮されない。
これらの状態は、以下に記述するとおり他の下水成分と相互作用すると見なされる。
還元条件下では、硫化物による Fe3+ の化学的還元が生じる。この反応では、硫化物がコロイド状の元素状硫黄へと酸化され、これが沈殿する（Firer et al., 2008; Nielsen et al., 2005）:
2 Fe3+ + HS- → 2 Fe2+ + S0 + H+
フルプラントモデルでの実装: 元素状硫黄は溶解度が低く容易に凝集（フロック形成）するため、粒子状の状態変数（XS）として追加された。含水酸化第二鉄（XHFO）は、酸化還元反応の均衡を保つ適切な化学量論係数と、XHFO 濃度に関する一次速度をもって、H2S によって単一のプロセスで第一鉄（SFe2）と元素状硫黄（XS）へと還元される。
含水酸化第二鉄は消化槽内で可溶性の Fe2+ へと還元され、これが硫化鉄 [FeS] として沈殿するとともに、結合したリン酸を放出し（Ge et al., 2013）、これがさらにビビアナイト [Fe3(PO4)2,8H2O] として沈殿しうる（Cheng et al., 2015）。この生物学的プロセスは、有機物を電子供与体として用いる Fe3+ 還元細菌によって行われる（Lovley and Phillips, 1988）。
フルプラントモデルでの実装: モデルを単純に保つため、この新たな鉄還元バイオマスおよびそれに伴う増殖はモデルに導入していない。可溶性生分解性基質（SB）および揮発性酸（SVFA）が電子供与体と見なされ、含水酸化第二鉄（XHFO）濃度に関する一次反応速度式が用いられる。
Fe2+ は硫化物とともに硫化鉄 FeS として沈殿する（Firer et al., 2008; Nielsen et al., 2005）:
Fe2+ + HS- → FeS + H+
フルプラントモデルでの実装: 硫酸塩および硫化物の化学種の酸塩基反応が、化学種分別のための pH モデル（平衡モデル）に追加される。沈殿は Koutsoukos et al (1980) の速度式に従ってモデル化され、溶解度積 Ksp,FeS=3.7*10-19 を用いる（Nielsen et al., 2005）。
Gutierrez et al. (2010) によれば、沈殿した硫化鉄（FeS）は好気ゾーンで酸化第二鉄と硫酸塩へと再酸化される。
フルプラントモデルでの実装: 第一鉄（SFe2）および沈殿した硫化鉄（XFeS）の両方の酸化が、酸素を電子受容体として、酸化還元反応の均衡を保つ適切な化学量論係数と、それぞれ SFe2 および XFeS 濃度に関する一次速度をもってモデルで考慮される。
生物学的硫酸塩還元は硫黄の生物処理における主要なプロセス段階であり、しばしば化学的段階または金属沈殿段階と組み合わされる（Hao et al., 2014）。生物学的硫酸塩還元は硫酸塩還元生物（SRO）によって行われ、これは水素または有機化合物のいずれかを電子供与体として利用できる。これらの細菌は、嫌気性生物プロセス（Chou et al., 2008; Hao et al., 2014; Kalyuzhnyi and Fedorovich, 1998）および下水道管路の底泥（Liu et al., 2016）において、それぞれ水素資化性メタン生成菌および酢酸資化性メタン生成菌と直接競合する。下水道システム向けのモデルは通常バイオマスの増殖を無視するのに対し、嫌気性消化向けのモデルは常にそれを考慮する。これらのモデルは異なる種類の基質を考慮する。Knobel and Lewis (2002)、Liu et al. (2015)、Fedorovich et al. (2003) はそれぞれ 5 または 4 つの基質（異なる揮発性脂肪酸と H2）を考慮するのに対し、Batstone (2006) は S/COD 比が 0.1 mg S/mg COD を下回る場合は水素資化性硫酸塩還元細菌のみを考慮することを提案している。最良の妥協案は、H2、酢酸、プロピオン酸を基質として考慮する Barrera et al. (2015) および Poinapen and Ekama (2010) のモデルであると思われる。下水道プロセス向けの WATS モデル（Hvitved-Jacobsen et al., 2013）は、硫酸塩還元の生物学的プロセスについて可溶性基質のみを考慮する。
フルプラントモデルでの実装: Sumo モデルの拡張版の実際の構造を考慮し、硫酸塩還元生物（SRO）の基質として SVFA と SH2 が選択され、その結果 AMETO および HMETO との競合が生じる。これは Barrera (2015) が提案したものと類似し、Kalyuzhnyi and Federovich (1998) と整合する。メタン生成の実装と同様に、2 つのバイオマスが導入される。すなわち、ASRO（酢酸資化性硫酸塩還元生物）と HSRO（水素資化性硫酸塩還元生物）である。これにより、両バイオマスの増殖と死滅を考慮するために 4 つの追加プロセスが生じる。Barrera (2015) の化学量論値および動力学値が用いられる。生成された硫化物は阻害的である（Utgikar et al. 2002）。これは、硫化物がプロセスの反応物である場合には Haldane 関数を通じて、そうでない場合には Monod 制限関数項を通じて、反応速度式に考慮されている。
硫化物の硫酸塩への生物学的酸化は中間化学種を経て行われる。この酸化は酸素、亜硝酸塩、または硝酸塩のいずれかを電子受容体として用いうる。文献では、硫化物の生物学的酸化は主に 1 段階または 2 段階でモデル化され、元素状硫黄（S0）が中間体となる。元素状硫黄の硫酸塩への酸化が律速段階である（Buisman, et al., 1991; Jiang et al., 2009; Tichy et al., 1998）。複数の著者によれば、硫化物が消化槽内で限られた酸素レベルで酸化されると、元素状硫黄へと反応してこれが沈殿し、その後の生物学的還元に利用されにくくなる（Diaz and Fdz-Polanco 2012; Jenicek et al. 2008）。
フルプラントモデルでの実装: 硫化物酸化の 2 段階と 2 つの可能な酸化剤（O2 と NO3）を考慮するため、4 つの酸化プロセスをもつ硫黄酸化生物（XSOO）がモデルに導入された。Mannucci et al (2012) のパラメータ値が第一推定値として用いられる。
SOO 活性が高い場合、化学的酸化は無視できる（Luther et al., 2011）が、バイオマス濃度がより低い下水道プロセスの場合には考慮しなければならない。硫化物酸化のための酸素消費が OUR において有意に寄与するためである（Nielsen et al., 2003）。文献では、異なる次数の速度則と広範囲にわたる酸化速度パラメータが報告されているが、2 段階の酸化の速度は独立に決定されていない（Buisman et al., 1990; Hvitved-Jacobsen et al., 2013; Klok et al., 2013; Luther et al., 2011; Nielsen et al., 2003）。
フルプラントモデルでの実装: 酸素による SH2S の 2 段階酸化（SH2S→XS→SSO4）のための 2 つのプロセスが追加される。すべての酸化中間体は元素状硫黄の状態変数（XS）を通じて考慮される一方、第 2 の酸化段階（XS→SSO4）ははるかに遅い（Nielsen et al., 2003）。モデルを単純化するため、酸化プロセスの両段階について、硫化物および元素状硫黄に関する一次反応が実装されている。
SSO4 と SVFA を利用して嫌気呼吸を行い、これを SH2S へ還元して SCO2 を生成する細菌および古細菌の一群。これらは SVFA をめぐって AMETO と競合し、消化槽の性能に負の影響を及ぼす。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| ASRO growth - SO4 reduction with SVFA |
SSO4 を電子受容体として用いる、SVFA 上での ASRO 増殖プロセス。SH2S が生成される。 SSO4 および栄養塩（SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数: BellinhpH。 |
| ASRO decay | 無酸素および好気条件下での ASRO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅再生成概念）。 |
| ASRO anaerobic decay | 嫌気条件下での ASRO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅再生成概念）。 |
SSO4 と SH2 を利用して嫌気呼吸を行い、これを SH2S へ還元する細菌および古細菌の一群。これらは SH2 の消費をめぐって HMETO と競合し、消化槽の性能に負の影響を及ぼす。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| HSRO growth - SO4 reduction with SH2 |
SSO4 を電子受容体として用いる、SH2 上での HSRO 増殖プロセス。SH2S が生成される。 SSO4 および栄養塩（SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 pH に対するベル型阻害関数: BellinhpH。 |
| HSRO decay | 無酸素および好気条件下での HSRO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅再生成概念）。 |
| HSRO anaerobic decay | 嫌気条件下での HSRO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅再生成概念）。 |
硫黄酸化生物（SOO）は、好気および無酸素環境下で SH2S を 2 段階で酸化する。まず SH2S から XS（元素状硫黄）へ、次に XS から SSO4 へ酸化する。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
| SOO growth on H2S, O2 |
SH2S を電子供与体として用いる SOO 好気増殖。SH2S は SO2 を電子受容体として元素状硫黄 XS へ酸化される。 SH2S、SO2、および栄養塩（SH2S, SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 |
| SOO growth on H2S, NO2 |
SH2S を電子供与体として用いる SOO 無酸素増殖。SH2S は SNO2 を電子受容体として元素状硫黄 XS へ酸化される。 SH2S、SNO2、および栄養塩（SH2S, SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 |
| SOO growth on H2S, NO3 |
SH2S を電子供与体として用いる SOO 無酸素増殖。SH2S は SNO2 を電子受容体として元素状硫黄 XS へ酸化される。 SH2S、SNO2、および栄養塩（SH2S, SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 |
| SOO growth on S°, O2 |
元素状硫黄 XS を電子供与体として用いる SOO 好気増殖。XS は SO2 を電子受容体として硫酸塩 SSO4 へ酸化される。 XS、SO2、および栄養塩（SH2S, SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 |
| SOO growth on S°, NO2 |
元素状硫黄 XS を電子供与体として用いる SOO 無酸素増殖。XS は SNO2 を電子受容体として硫酸塩 SSO4 へ酸化される。 XS、SNO2、および栄養塩（SH2S, SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 |
| SOO growth on S°, NO3 |
元素状硫黄 XS を電子供与体として用いる SOO 無酸素増殖。XS は SNO3 を電子受容体として硫酸塩 SSO4 へ酸化される。 XS、SNO3、および栄養塩（SH2S, SNHx, SPO4, SCAT, SAN, SCa, SMg）を必要とする。 |
| SOO decay | 無酸素および好気条件下での SOO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE を放出する（死滅再生成概念）。 |
| SOO anaerobic decay | 嫌気条件下での SOO の死滅（decay）プロセス。このプロセスは XB,e と XE,ana を放出する（死滅再生成概念）。 |
Barrera, E. L., Spanjers, H., Solon, K., Amerlinck, Y., Nopens, I., and Dewulf, J. (2015) Modeling the anaerobic digestion of cane-molasses vinasse: Extension of the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) with sulfate reduction for a very high strength and sulfate rich wastewater. Water Research, 71, 42–54.
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各種の廃水処理プロセスにおける N2O 生成経路を特定するため、硝化および脱窒の中間体を動的モデルで記述しようとする試みが、過去10年間にいくつか発表されてきた。しかし、N2O 生成のモデル化概念についてはまだ明確なコンセンサスが得られていない。Hiatt & Grady (2008) の四段階脱窒モデルと、Pocquet et al. (2016) のアンモニア酸化細菌に対する 2-P モデルを組み合わせた手法が近年の研究で用いられており、有望と考えられている（Mampaey et al, 2019; Fiat et al., 2019）。
Sumo24 では、後述するモデル概念上の問題を解決するために、ヒドロキシルアミンが N2O へ酸化される非生物的反応が導入された。
Sumo4N Figure 1 - Biological processes of the N cycle好気的な N2O 生成についてこれまでに分かっていること：
NOB に対するヒドロキシルアミン阻害は、Jofra-Soler et al (2021) に従って追加されている。
ヒドロキシルアミンは硝化の中間化合物であるが、従属栄養脱窒代謝の中間体ではない（Soler-Jofra et al., 2021）。Pocquet et al. (2016) のモデルでは、ヒドロキシルアミンは AOB によって酸素または亜硝酸でのみ酸化されうる。このモデルを幅広いレイアウトに適用すると、内部循環がある場合、ヒドロキシルアミンが数 g/m3 まで蓄積し、嫌気反応槽内で変化せずに残りうることが示された。嫌気条件下でのヒドロキシルアミンの存在は、他の Sumo モデルと比較して ORP 計算にいくつかの食い違いを生じさせており、その結果 BioP 効率に影響を与えていた（BioP モデルとの相互作用を参照）
ヒドロキシルアミン代謝についてはまだ多くの未解明な点が残っているが、それは無機で反応性の高い化合物であり、種々の窒素循環微生物における中間体または副次的代謝物である（Soler-Jofra et al., 2021）。したがって、嫌気条件下で変化しないままであることは考えにくい。
この問題に対処し、幅広い条件下での N2O 生成のキャリブレーションにより柔軟性を持たせるため、ヒドロキシルアミンが関与する主要な3つの非生物的反応を実装することが選択された（Soler-Jofra et al., 2021; Su et al., 2019; Ye et al., 2022）：
その他の非生物的反応は、寄与の重要性が低いと思われるため、まだ実装されていない。
これらのパラメータは、脱窒の各段階を担う従属栄養細菌の割合、および無酸素条件下での最大比増殖速度の低下を考慮している。
これにより8つの脱窒プロセスが生じる：
| 2 | r2 | VFA 上での OHO 増殖、NO3 |
| 3 | r3 | VFA 上での OHO 増殖、NO2 |
| 4 | r4 | VFA 上での OHO 増殖、NO |
| 5 | r5 | VFA 上での OHO 増殖、N2O |
| 7 | r7 | SB 上での OHO 増殖、NO3 |
| 8 | r8 | SB 上での OHO 増殖、NO2 |
| 9 | r9 | SB 上での OHO 増殖、NO |
| 10 | r10 | SB 上での OHO 増殖、N2O |
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
|
NO3 による OHO 増殖 |
還元 NO3-→NO2- 速度論的パラメータ ・ µOHO: OHO の最大比増殖速度
・ ηOHO,NO3: NO3 上での OHO の無酸素増殖の低減係数
・ KVFA,NO3,AS: NO3 上での OHO に対する VFA の半飽和 (AS)
・ KSB,NO3,AS: NO3 上での OHO に対する易分解性基質の半飽和 (AS)
・ KO2,OHO,NO3,AS: NO3 上での OHO に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KNO3,OHO,AS: OHO に対する NO3 の半飽和 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 基質に対する Monod 飽和関数： MsatVFA,KVFA または MsatSB,KSB*MinhSVFA,KVFA
・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：NO3 => MsatSNO3,KNO3,OHO
・ O2 に対する Monod 阻害関数：MinhSO2,KO2,OHO,NO3
・ 栄養塩に対する Monod 飽和関数：NHx、PO4、陽イオン、陰イオン、カルシウムおよびマグネシウム：MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH
|
|
NO2 による OHO 増殖 |
還元 NO2-→NO,OHO（NO は細胞内中間体とみなされる） NO により阻害される 速度論的パラメータ ・ µOHO: OHO の最大比増殖速度
・ ηOHO,NO2: NO2 上での OHO の無酸素増殖の低減係数
・ KVFA,NO2,AS: NO2 上での OHO に対する VFA の半飽和 (AS)
・ KSB,NO2,AS: NO2 上での OHO に対する易分解性基質の半飽和 (AS)
・ KNO2,OHO,AS: OHO に対する NO2 の半飽和 (AS)
・ KO2,OHO,NO2,AS: NO2 上での OHO に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KiNO,OHO,NO2,AS: NO2 の OHO 脱窒に対する NO の半阻害 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 基質に対する Monod 飽和関数： MsatVFA,KVFA または MsatSB,KSB*MinhSVFA,KVFA
・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：NO2 => MsatSNO2,KNO2,OHO
・ O2 に対する Monod 阻害関数：MinhSO2,KO2,OHO,NO2
・ NO に対する Monod 阻害関数：MinhSNO,KiNO,OHO,NO2
・ 栄養塩に対する Monod 飽和関数：NHx、PO4、陽イオン、陰イオン、カルシウムおよびマグネシウム：MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH
|
|
NO による OHO 増殖 |
還元 NO,OHO→N2O（NO は細胞内中間体とみなされる） NO により阻害される 速度論的パラメータ ・ µOHO: OHO の最大比増殖速度
・ ηOHO,NO: NO 上での OHO の無酸素増殖の低減係数
・ KVFA,NO,AS: NO 上での OHO に対する VFA の半飽和 (AS)
・ KSB,NO,AS: NO 上での OHO に対する易分解性基質の半飽和 (AS)
・ KNO,OHO,AS: OHO に対する NO の半飽和 (AS)
・ KO2,OHO,NO,AS: NO 上での OHO に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KiNO,OHO,NO,AS: NO の OHO 脱窒に対する NO の半阻害 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 基質に対する Monod 飽和関数： MsatVFA,KVFA または MsatSB,KSB*MinhSVFA,KVFA
・ 電子受容体に対する Haldane 関数：NO => HsatSNO,KNO,OHO
・ O2 に対する Monod 阻害関数：MinhSO2,KO2,OHO,NO2
・ 栄養塩に対する Monod 飽和関数：NHx、PO4、陽イオン、陰イオン、カルシウムおよびマグネシウム：MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH
|
|
N2O による OHO 増殖 |
還元 N2O→N2 NO により阻害される 速度論的パラメータ ・ µOHO: OHO の最大比増殖速度
・ ηOHO,N2O: N2O 上での OHO の無酸素増殖の低減係数
・ KVFA,N2O,AS: N2O 上での OHO に対する VFA の半飽和 (AS)
・ KSB,N2O,AS: N2O 上での OHO に対する易分解性基質の半飽和 (AS)
・ KN2O,OHO,AS: OHO に対する N2O の半飽和 (AS)
・ KO2,OHO,N2O,AS: N2O 上での OHO に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KiNO,OHO,NO2,AS: N2O の OHO 脱窒に対する NO の半阻害 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 基質に対する Monod 飽和関数： MsatVFA,KVFA または MsatSB,KSB*MinhSVFA,KVFA
・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：N2O => MsatSN2O,KN2O,OHO
・ O2 に対する Monod 阻害関数：MinhSO2,KO2,OHO,NO2
・ NO に対する Monod 阻害関数：MinhSNO,KiNO,OHO,N2O
・ 栄養塩に対する Monod 飽和関数：NHx、PO4、陽イオン、陰イオン、カルシウムおよびマグネシウム：MsatSNHx,KNHx,OHO, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH
|
このモデルには5つのプロセスが含まれる。一酸化窒素 (NO) は代謝中間体とみなされ、したがってバルクへ放出されストリッピングされる可能性は低い。その結果、NO の物質移動の補正係数パラメータ (fkL,GNO) はゼロに設定されている。
| 生物学的プロセス | 概念の説明 |
|---|---|
|
AOB による NHx の NH2OH への酸化 |
O2 を必要とする。元のモデル（Pocquet et al, 2016）における Monod 項は遊離アンモニアに対するものである。通常の pH 範囲でモデルをより安定させるため、全アンモニアに対する項に置き換えられている。 速度論的パラメータ 最大速度は、AOB 増殖プロセス（AOB による NH2OH の NO への酸化プロセス）と同じ基質利用速度を保つため、AOB の最大比増殖速度を AOB 収率で割ったもの (µAOB/YAOB) である ・ µAOB: AOB の最大比増殖速度
・ KO2,NHx,AOB,AS: AOB による NHx 酸化に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KO2,NHx,AOB,Sidestream: AOB による NHx 酸化に対する O2 の半飽和 (Sidestream)
・ KNHx,NH2OH,AOB,AS: AOB に対する NHx から NH2OH への半飽和 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：O2 => MsatSO2,KO2,NHx,AOB
・ 電子供与体に対する Monod 飽和関数：NHx => MsatSNHx,KNHx,NH2OH,AOB
|
|
AOB による NH2OH の NO への酸化 |
O2 を必要とする。これは AOB 増殖プロセスである。 速度論的パラメータ ・ µAOB: AOB の最大比増殖速度
・ KO2,NH2OH,AOB,AS: AOB による NH2OH 酸化に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KO2,NH2OH,AOB,sidestream: AOB による NH2OH 酸化に対する O2 の半飽和 (Sidestream)
・ KNH2OH,AOB,AS: AOB に対する NH2OH の半飽和 (AS)
・ KNHx, AOB,AS: AOB に対する NHx の半飽和 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 電子供与体に対する Monod 飽和関数：NH2OH => MsatSNH2OH,KNH2OH,AOB
・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：O2 => MsatSO2,KO2,NH2OH,AOB
・ 重炭酸塩に対するロジスティックスイッチ、pH 依存：LogsatpHCO2,AOB
・ 栄養塩に対する Monod 飽和関数：NHx、PO4、陽イオン、陰イオン、カルシウムおよびマグネシウム：MsatSNHx,KNHx,AOB, MsatSPO4,KPO4,BIO, MsatSCAT,KCAT, MsatSAN,KAN, MsatSCa,KCa, MsatSMg,KMg
・ pH に対するベル型阻害関数：BellinhpH
|
|
AOB による NO の NO2 への酸化 |
O2 を必要とする。 速度論的パラメータ 最大速度は、AOB 増殖プロセス（AOB による NH2OH の NO への酸化プロセス）と同じ基質利用速度を保つため、AOB の最大比増殖速度を AOB 収率で割ったもの (µAOB/YAOB) である ・ µAOB: AOB の最大比増殖速度
・ KO2,NH2OH,AOB,AS: AOB による NH2OH 酸化に対する O2 の半飽和 (AS)
・ KO2,NH2OH,AOB,sidestream: AOB による NH2OH 酸化に対する O2 の半飽和 (Sidestream)
KNO,NO2,AOB,AS: AOB に対する NO から NO2 への半飽和 (AS) 速度論的な速度制限/阻害 ・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：O2 => MsatSO2,KO2,NH2OH,AOB
・ 電子供与体に対する Monod 飽和関数：NO => MsatSNO,KNO,NO2,AOB
|
|
AOB による NO の N2O への還元（NN 経路） |
N2O 生成の直接経路（または NN 経路）：酵素「Nor」による NO の N2O への還元と、ヒドロキシルアミンの亜硝酸への酸化が共役したもの 速度論的パラメータ 最大速度は、AOB の最大比増殖速度を AOB 収率で割ったもの (µAOB/YAOB) を、AOB による NO の N2O への還元（NN 経路）の低減係数 (ƞAOB,NO,N2O) で低減したものである ・ µAOB: AOB の最大比増殖速度
・ ƞAOB,NO,N2O: AOB による NO の N2O への還元（NN 経路）の低減係数
・ KNH2OH,AOB,AS: AOB に対する NH2OH の半飽和 (AS)
・ KNO,N2O,AOB,AS: AOB に対する NO から N2O への半飽和 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 電子供与体に対する Monod 飽和関数：NH2OH => MsatSNH2OH,KNH2OH,AOB
・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：NO => MsatSNO,KNO,N2O,AOB
|
| AOB による HNO2 の N2O への還元（ND 経路） |
N2O 生成の間接経路（または ND 経路）：HNO2 の N2O への還元と、NH2OH の亜硝酸への酸化が共役したもの。 元々この ND 経路は2つの段階を考慮している：NO2 の NO への還元（NirK 酵素）、次いで NO の N2O への還元（Nor 酵素）（Mampaey et al., 2013; Ni et al., 2011）。これら2つのプロセスは、AOB による NO の NO2 への酸化プロセスとの NO ループを避けるため、この単一のプロセスに統合されている（Pocquet et al., 2016）。 O2 に対する Haldane 型の項は、単純な Monod 阻害項に置き換えられている。これにより、ヒドロキシルアミンが存在する無酸素条件下でこのプロセスが制限される結果となり、これは一部の著者によって観察されている（Domingo-Félez and Smets, 2016） 化学量論的パラメータ ・ YAOB: NHx 上での AOB の収率
速度論的パラメータ 最大速度は、AOB の最大比増殖速度を AOB 収率で割ったもの (µAOB/YAOB) を、AOB による HNO2 の N2O への還元（ND 経路）の低減係数 (ƞAOB,NO2,N2O) で低減したものである ・ µAOB: AOB の最大比増殖速度
・ ƞAOB,NO2,N2O: AOB による HNO2 の N2O への還元（ND 経路）の低減係数
・ KNH2OH,AOB,AS: AOB に対する NH2OH の半飽和 (AS)
・ KHNO2,AOB,AS: AOB に対する HNO2 の半飽和 (AS)
・ KiO2,AOB,AS: AOB による N2O 生成に対する O2 の半阻害 (AS)
速度論的な速度制限/阻害 ・ 電子供与体に対する Monod 飽和関数：NH2OH => MsatSNH2OH,KNH2OH,AOB
・ 電子受容体に対する Monod 飽和関数：HNO2 => MsatSHNO2,KHNO2,AOB
・ このプロセスの寄与は低 DO で増加する：O2 に対する Monod 阻害項 => MinhSO2,KiO2,AOB
|
Sumo4N モデルは、全体的な硝化および脱窒プロセス、ならびに生物学的リン除去を含むその他すべての生物学的プロセスについて、Sumo2 モデルと同様に振る舞うことが期待される。BioP 効率は ORP 計算（ORP の章へのリンク）に強く依存しており、これが PAO/GAO 比を決定する（BioP モデルの説明を参照）。したがって、Sumo4N でも Sumo2 と同様の ORP 計算を再現することが重要である。Sumo2 では、無酸素 ORP 計算は硝酸と亜硝酸の合計である SNOx に基づいている。Sumo4N で無酸素条件下において同様の ORP 値を得るには、他の硝化中間体を考慮する必要がある（SNOx,Tot=SNO2 + SNO3 + SNO + SNH2OH）。
この無酸素 ORP 計算の修正は、Sumo2 と比較して同様の ORP 値を可能にするために嫌気条件下でヒドロキシルアミンを枯渇させることの重要性を説明している。
定常状態ソルバに関する注記
「Fast」ソルバは、特定の状況下で適切な解を見つけられないことがある。この場合、まず動的に数日間実行するか、「accurate」ソルバを使用することを推奨する。
Fiat, J., Filali, A., Fayolle, Y., Bernier, J., Rocher, V., Spérandio, M., Gillot, S., 2019. Considering the plug-flow behavior of the gas phase in nitrifying BAF models significantly improves the prediction of N2O emissions. Water Res. 156, 337–346. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.03.047
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最初期のメカニスティックモデル（例：ASM1）は、アルカリ度が枯渇することと、重炭酸イオンの不足および低 pH による硝化への悪影響を推定するために、アルカリ度の収支計算を行っていた。ADM1 以降、そして今日のすべての最新ソフトウェアは、その代わりに化学平衡に基づいて pH を計算し、「仮想」滴定によってアルカリ度を求めている。
pH を計算する方法には 3 つの異なる手法がある：
1) Musvoto（2000）のような速度論的アプローチ ― これは既存の Gujer 行列ツールに実装するのは容易だが、プロトン化・脱プロトン化反応と生物反応の速度の差が大きいため、計算効率は非常に悪い。
2) Tableau ― これは標準的な化学的手法であり、拡張は容易だが、主要な化学種を含む多次元の非線形問題を解く必要がある。1 つの溶液の pH を求めるにはまったく問題ないが、プラントモデル内に 1000 箇所があり、その一部が循環ループ内にあるような場合、問題の次元は容易に数十万に達し、毎タイムステップで効率的に解くことは不可能になる。
3) 大半のソフトウェアが用いる手法：pH、アルカリ度、イオン強度を解く。pH とイオン強度（IS）がわかっていれば、各イオン種の濃度は総成分濃度から計算できる（すなわち、総アンモニア＋アンモニウムは、ある pH と IS のもとで非解離アンモニアとアンモニウムイオンに分割できる）。この手法は、pH と IS の値を推定し、イオン種を計算し、電荷収支と IS 誤差をチェックし、Newton-Raphson 法を用いて電荷収支と IS 誤差の両方がゼロになるまで pH と IS を変化させることに基づいている。
この手法の利点は、解くべき変数が限られていること（基本のケースでは 2 つ）である。欠点は、化学種計算の式を各化学種について手作業で導出しなければならないことである（ただし、Maple や Python の SymPy ライブラリなどの記号的ソルバーが利用できる）。pH モデルがある程度複雑になると（例：多数の化学種やイオン対がある場合）、式が記号的に解けなくなることがある。この場合、pH と IS に加えて 1 つの中心化学種（Fe3+ や HCO3- など）を追加することで問題の次元を増やす（つまり 2 変数ではなく 3 変数を解く）。これにより式の複雑さが大幅に減少し、解を求める時間はわずかしか増加しない。
単純な化学モデルにおける、蒸留水中のアンモニアの簡単な例を考えてみる。
モデルの components タブでは、各状態変数が定義され、その総成分濃度（SNHx の場合は総アンモニア＋アンモニウム）が「Initial concentration」列に設定される。これは GUI の「Input setup」タスクに相当する。詳細はユーザーマニュアルを参照。
純粋なアンモニア溶液では、2 つの解離・電離反応と 1 つの物質収支がある：
水の解離：[H+] * [OH-] = kW
アンモニアの電離：[H+] * [NH3] /[NH4+] = KiNH3
物質収支：SNHx = [NH3] + [NH4+]
アンモニアの化学種分別を計算するために、3 つの式を 3 つの変数について解くことができる：
[OH-] = kW /[H+]
[NH3] = (KiNH3 * SNHx) /([H+] + KiNH3)
[NH4+]= ([H+] * SNHx) /([H+] + KiNH3)
これは記号的ソルバーで解くことができ、特に炭酸塩、リン酸塩、イオン対形成などのより複雑な系の場合に有用である。Sympy は記号数学のための Python ライブラリであり、オンライン（http://live.sympy.org/）で使用できる。上記のアンモニア化学種分別の系は、次のコードで解くことができる：
from sympy import symbols, solve, Eq
SNHx, OH, H, NH4_p, NH3, KiNH3, KW= symbols('SNHx, OH, H, NH4_p, NH3, KiNH3, KW')
solve((Eq(KW, H*OH), Eq( KiNH3, NH3*H/NH4_p), Eq(SNHx, NH4_p+NH3)), OH, NH4_p, NH3)
ここで
| from sympy import symbols, solve, Eq | 必要なライブラリと関数を読み込む |
| SNHx, OH, H, NH4_p, NH3, KiNH3, KW=symbols('SNHx, OH, H, NH4_p, NH3, KiNH3, KW') | 変数とパラメータを宣言する |
| solve((Eq(KW, H*OH), Eq( KiNH3, NH3*H/NH4_p), Eq(SNHx, NH4_p+NH3)), OH, NH4_p, NH3) |
3 つの式からなる系を与える（カンマは「=」記号を意味する） および 3 つの未知変数 |
pH の定義を知ることで
[H+] = 10(-pH)
これらの式は、Sumo モデルファイルの pH シートにある pH テーブルに入力される：
SNHx は、g/m3（mg/L に相当し、速度論モデルで使用される）から mol/L（平衡モデルで使用される）に変換する必要があるため、N の原子質量（AMN * 1000 = 14000 mg/mol）で割られる。Sumo はこの情報から必要な方程式系とソルバー設定を自動的に構築する。
これらの化学種を pH の関数としてプロットすると解離曲線が得られ、（0.0001 モルの純粋なアンモニア溶液について）次のようになることがわかる：
pH とイオン強度の推定（すなわち pH=7.0、IS=0.0001 mol/kg）を行うことが可能である
化学種分別計算に使用される解離定数と酸性度定数は、温度とイオン強度の影響を受ける。それらはモデルの計算変数の中で補正される：
水の解離定数については、Van't Hoff の式を用いて定数値を温度について補正する。他の化合物については、利用可能な場合は経験式を用いる。
- イオン強度について
典型的な廃水のような非理想的な水相では、イオンは分子間の引力と斥力によって相互作用し、それらの相互作用は総電荷濃度とともに増大する。これらの相互作用は、反応に利用可能な（活性な）イオンの数を減少させる。したがって、理想的な条件下でイオンが持つであろう活量を得るためには、測定濃度を補正しなければならない。
Sumo はイオン強度について Davies 補正式を使用しており、これはイオン強度が 0 – 0.5 mol/kg の範囲で有効である（Tait et al., 2012）。活量補正係数（一価、二価、三価イオンについてそれぞれ fmono、fdi、ftri）により、非理想的な水相についてイオン濃度を補正できる。
Sumo ではこれらの活量係数を用いて解離定数を直接補正するため、（Species シートで）計算されるイオン濃度は運転員が測定する濃度そのものとなり、これにより平衡テーブルの式が簡略化される。
例として、水の解離について：
[H+]*fmono * [OH-]*fmono = KW
は次と等価である：
[H+] * [OH-] = KW/fmono²
これらの補正係数の値は、まずイオン強度の推定値に基づいて計算される。
解離定数と活量定数がイオン強度の推定値に基づいて補正されたので、成分の化学種分別を計算できる：
[H+] 濃度は 1e-7 mol/L、25°C での kW は 1.08e-14 であるため、
[OH-] = 1e-14/1e-7 = 1.08e-7
アンモニアの pK は 9.244、すなわち KiNH3 は 1e-9.244 である。
総アンモニア（SNHx）濃度を 1.4 mgN/L = 0.1 mmol/L = 0.0001 mol/L とする
[NH3] = 0.0001 * 1e-9.244 /(1.08e-7 + 1e-9.244) = 5.64273e-7 mol/L
[NH4+] = 0.0001 * 1.08e-7 /(1.08e-7 + 1e-9.244) = 9.93879e-5 mol/L（すなわち pH 7 ではアンモニアの大半が電離している）
これらの計算は pH シートで確認できる：
この化学種分別がわかれば、総電荷収支の誤差とイオン強度を計算できる。pH シートでは、電荷収支・イオン強度テーブルに、電荷収支計算のための適切な電荷数と、イオン強度を計算するための適切な係数が含まれており、次のように計算される：
ここで zi は化学種の電荷である。
各化学種の濃度に対応する電荷を乗じ、それをすべての化学種について合計して全体の電荷収支を計算する。ここでは、次が成り立つはずである：
電荷収支：[H+] + [NH4+] = [OH-]
各化学種の濃度に対応するイオン強度係数（0.5*zi²）を乗じ、それをすべての化学種について合計して総イオン強度を計算する。
アルカリ度とは本質的に、pH を当量点（約 pH 4.1）まで下げるために加えなければならない一価酸の量である。この簡単な例では、本質的に水酸化物イオン濃度（無視できるプロトン濃度を差し引いたもの）に、pH 4 で（実用上）すべて電離する遊離アンモニアで調整したものとなる。
SALK = [OH-] + [NH3] - [H+]
これらの計算は、扱う完全な系については Sumo モデルの計算変数タブに、加えて pH タブの化学行列に見られる。
上記の段落で述べたように、これら 3 つの変数と pH はすべて相関しているため、すべてをユーザーが設定することはできない。
アンモニア溶液の例では、電荷収支の計算は次のとおりである：
[H+] + [NH4+] = [OH-] = 1e-7 + 9.93879e-5
これは 1.08e-7 に等しくないため、電荷収支の誤差がある（電荷収支 = 0.000099 mol/L）。0.1 mmol/L のアンモニア溶液の pH は 7 ではない。さらに、計算されたイオン強度は 0.00005 mol/L であり、これは推定値（0.00001 mol/L）とは異なる。
Newton-Raphson ソルバーの役割は、ユーザーが選択したオプションに応じてこの系を解くことである（流入水のみ、他のプロセスユニットでは 2 番目のケースが使用される）：
| Rules | pH Specification (option available in configure mode for influents) |
Input variables | Variables solved | Targets |
|---|---|---|---|---|
| pHSet | Input pH and alkalinity | pH SALK |
SCAT,NET IS SCO2 |
Chargebalanceerror ISerror SCO2error |
| NonpHSet | Input ions and CO2 | SCO2 SCAT SAN |
pH IS |
Chargebalanceerror ISerror |
ユーザーが pH 7 を設定し、低いアルカリ度（0.5 mg CaCO3/L）を設定した場合、電荷収支、アルカリ度、IS の誤差は、溶液中に一部のイオンが欠けていることを意味する。Newton-Raphson ソルバーは、すべての誤差がゼロに近づくまで CO2 濃度を調整し、正味の欠損陽イオンを計算する。次に、初期の陽イオンまたは陰イオン濃度が、以下の表に記載のとおり、計算された正味の欠損陽イオンで調整される：
| 陽イオンと陰イオンの計算の見直し | Type(Equilibrium) | |
| Symbol | Name | Expression |
| SCAT | 陽イオン濃度 | If((SCAT_0 + SCAT,NET) > 0; SCAT_0 + SCAT,NET; SCAT_0) |
| SAN | 陰イオン濃度 | If((SCAT_0 + SCAT,NET) > 0; SAN_0; SAN_0 - SCAT,NET) |
| Name | Value | Unit |
|---|---|---|
| IS | 9.97E-05 | ISunit |
| SCO2 | 0.53 | mg TIC/L |
| SALK | 0.5 | mg CaCO3/L |
| SCAT_NET | -0.090 | mmol/L |
| SCAT | 0.00 | mmol/L |
| SAN | 0.090 | mmol/L |
| SNHx | 1.4 | g N/m3 |
| [NH4+] | 0.100 | mmol/L |
| [NH3] | 0.00039 | mmol/L |
| chargebalanceerror | 4E-15 | eq.L-1 |
| ISerror | 2E-15 | ISunit |
| SCO2error | -2E-10 | mg CaCO3/L |
すべてのイオン組成がユーザーによって定義される。Newton-Raphson ソルバーは、電荷収支誤差と IS 誤差がゼロに近づくまで pH と IS を調整する。
適切な N のモル質量、pK 値、Sumo でのイオン強度補正を用いた場合、この 20°C の緩衝されていない溶液での実際の pH は 9.79 である。これにより次の結果が得られる：
| Name | Value | Unit |
|---|---|---|
| pH | 9.79 | pHunit |
| IS | 2.89E-05 | ISunit |
| SCO2 | 0 | mg TIC/L |
| SALK | 5.0 | mg CaCO3/L |
| SCAT | 0.000 | mmol/L |
| SAN | 0.000 | mmol/L |
| SNHx | 1.4 | g N/m3 |
| [NH4+] | 0.029 | mmol/L |
| [NH3] | 0.071 | mmol/L |
| chargebalanceerror | -2E-13 | eq.L-1 |
| ISerror | -2E-13 | ISunit |
| SCO2error | nd | mg CaCO3/L |
Musvoto, E., Wentzel, M., Loewenthal, R., Ekama, G., 2000. Integrated chemical-physical processes modelling - I. Development of a kinetic-based model for mixed weak acid/base systems. Water Res. 34, 1857–1867. doi:10.1016/S0043-1354(99)00334-6
Tait, S., Solon, K., Volcke, E.I.P., Batstone, D.J., 2012. A unified approach to modelling wastewater chemistry: model corrections, in: Conference Proceedings: 3rd IWA/WEF Wastewater Treatment Modelling Seminar, WWTmod 2012. Presented at the 3rd Wastewater Treatment Modelling Seminar (WWTmod2012), pp. 51–62.
以下の段落では、鉄の添加により水和酸化鉄（HFO）フロックを形成する化学的リン除去について説明する。同じメカニズムが、水和酸化アルミニウム（HAO）へと沈殿するアルミニウムの添加を記述するためにも用いられる。文章を簡略化するため、HFO（水和酸化鉄）のみに言及する。
非晶質酸化鉄（HFO、Smith et al.（2011）により Fe(OH)3(s) と見なされる）の沈殿は、その表面にイオンのための多数の吸着サイトを提供し、これにより HFO へのイオンの吸着と共沈殿の両方が可能となる。モデルの概念は、リン酸塩の吸着と共沈殿のみに焦点を当てて展開されている。
このモデルは反応性サイト密度（活性サイト因子、ASF と呼ばれ sites/mole of HFO で表される）の概念に基づいており、これは HFO 上の酸素結合サイトからなり、そのサイトをめぐってリン酸塩化学種とプロトンが競合する。この基礎に基づく平衡モデルである表面錯体モデル（Surface Complexation Model）はすでに Smith et al.（2011, 2008）によって開発されている。単位体積あたりの利用可能な総サイト数（SiteT、単位 mol.m-3）は、HFO の平均活性サイト因子数（ASFHFO）と沈殿した HFO 量（XHFO、単位 mol Fe.L-1）の積として定義される。各サイトは HPO42-、H2PO4-、H3PO4 と二座および一座の表面錯体を形成する能力を持つ（MUSIC モデル、(Hiemstra and VanRiemsdijk, 1996)）。二座化学種とは、リン酸塩化学種（H2PO4- または H3PO4）が 2 個の金属原子を持つ 2 つのサイトに結合していることを意味する。モデルを単純に保つため、（化学種分別を指定せずに）1 種類のリン酸塩のみが HFO に結合すると考える。したがって、活性サイト因子数を表すパラメータの値は、表面錯体モデルで使用されるものと比較して調整する必要があるかもしれない。
HFO の平均活性サイト因子数（ASFHFO）は、混合強度と HFO の熟成に依存することが判明している（Smith et al., 2008; Szabo et al., 2008）。さらに、この平衡モデルは、Szabo et al.（2008）が観察した実験結果、例えば初期の速いリン除去に続く遅い除去からなるリン除去の速度論的挙動や、HFO の熟成（活性表面サイトの喪失）の影響を記述するようには設計されていなかった。HFO による化学的リン除去のための詳細な動的物理化学モデルは、Hauduc et al（2015）によって開発された。このモデルは Smith et al.（2008）の平衡モデルに基づいている。
Sumo で開発された速度論的モデルは、モデルを可能な限り単純に保ちながら、この動的挙動を捉えることを目指している。モデリングの概念は Figure 3 に模式的にまとめられており、考慮される主要なプロセスについて以下の段落で詳述する：
モデルを簡略化するため、HFO 沈殿の速度論は考慮せず、アルミニウムは HFO の形で処理プロセスの反応槽に直接入ると考える。ただし、投入点での混合条件はフロックのサイズに大きく影響する。よく混合された金属投入点はより小さなフロックをもたらす。より小さなフロックはより高い活性サイト因子を持ち、これはサイズに比べてより高い反応性表面を意味する。
フロック集団を表現するため、モデルには 3 つのフロックタイプが含まれる：
その結果、異なる HFO 間での鉄投入量の分割は Influent プロセスユニットのコードで考慮される：
| Symbol | Name | Expression | Unit |
| XHFO,H | 活性水和酸化鉄、高表面（HFO,H） | G/(KG+G) | g Fe.m-3 |
| XHFO,L | 活性水和酸化鉄、低表面（HFO,L） | SFe-XHFO,H | g Fe.m-3 |
活性水和酸化鉄の濃度は、Monod 型の因子 G/(KG+G) を通じて考慮される混合強度の影響に依存する。ここで G は混合槽内の平均速度勾配（単位 s-1）、KG は G 値に対する半飽和係数である。この因子は 0 から 1 の間の値をとり、よく混合された条件では 1 に近い値をとる。
Influent プロセスユニットのパラメータは次のとおりである：
| Symbol | Name | Default | Unit |
| SFe_M | Fe(OH)3 | 0.0 | mg.L-1 |
| G | 混合槽内の平均速度勾配 | 50 | s-1 |
| KG | G 値に対する半飽和係数 | 10 | s-1 |
リン酸塩は HFO に結合すると考える。結合プロセスの化学量論係数は Table 3 に見られ、また Table 3 HFO 熟成プロセスの化学量論（THFO,H = XHFO,H + XHFO,H,P および THFO,L = XHFO,L + XHFO,L,P として）：
Table 3 HFO 熟成プロセスの化学量論Table 4、化学量論パラメータは Table 7 に列挙されており、速度論的速度式は Table 6 に、速度論パラメータは Table 8 に列挙されている。
このモデルは以下のプロセスを考慮する：
速度論的速度式は遊離結合サイト濃度に対して一次であり、関与するリン成分に対する Monod 飽和項がモデルの数学的安定性を保証する。
リン脱着プロセスは、結合リンと遊離リンの間で観察される平衡を再現するためにモデルで使用される（Smith et al., 2011, 2008）。化学量論係数は Table 4 に見られ、化学量論パラメータは Table 7 に列挙され、速度論的速度式は Table 6 に、速度論パラメータは Table 8 に列挙されている。これらのプロセスは結合プロセスの逆である：
速度論的速度式は使用される各 HFO 成分の濃度に対して一次であり、HFO に結合した関与するリン成分に対する Monod 飽和項がモデルの数学的安定性を保証する。
モデルは 3 つの HFO タイプ（High、Low、old）のみを考慮する。結合リン酸塩を持つ HFO フロックと持たない HFO フロックは同じ熟成速度論を持つと考える。その結果、必要な熟成プロセスは 2 つのみだが、各プロセスには 3 つの変換が含まれる：
| HFO,H => HFO,L | 未使用の活性水和酸化アルミニウム、高表面が活性水和酸化アルミニウム、低表面に変換される |
| HFO,H,P=>HFO,H,P,old | P 結合水和酸化アルミニウム、高表面が熟成 P 結合水和酸化アルミニウム、高表面に変換される |
| HFO,L => HFO,old | 未使用の活性水和酸化アルミニウム、低表面が熟成未使用水和酸化アルミニウムに変換される |
|---|---|
| HFO,L,P=>HFO,L,P,old | P 結合水和酸化アルミニウム、低表面が熟成 P 結合水和酸化アルミニウム、低表面に変換される |
熟成使用済み水和酸化アルミニウムは不活性と見なされ、これはリンがフロック構造中に確定的に閉じ込められることを意味する。ただし、数学的な目的のため、リン溶解プロセス（次の段落を参照）における HFO,H,P,old と HFO,L,P,old は例外である。
化学量論係数は Table 3 に見られ、化学量論パラメータは Table 7 に列挙され、速度論的速度式は Table 6 に、速度論パラメータは Table 8 に列挙されている。
リン溶解プロセスは、バイオマス増殖のためにリン酸塩が枯渇することがないようにするためにモデルに含まれている。これは、ある遊離リン酸塩濃度を下回ると、熟成 HFO 上の結合リン酸塩は脱着できないため、それが放出されることを保証する。したがって、速度論的速度式は熟成 HFO に結合した総リン酸塩（XHFO,H,P,old+XHFO,L,P,old）に対して一次であり、このプロセスのオン/オフの切り替えは、溶存リン酸塩濃度に依存する対数飽和式によって管理される。
化学量論係数は Table 5 に見られ、化学量論パラメータは Table 7 に列挙され、速度論的速度式は Table 6 に、速度論パラメータは Table 8 に列挙されている。
Table 4 HFO 上でのリン酸塩の結合と脱着の化学量論
Table 5 結合リン溶解の化学量論
Table 6 HFO プロセスの速度論的速度式
Table 7 HFO 化学量論パラメータ
Table 8 HFO 速度論パラメータ
Figure 2.3 Sumo における化学的リン除去のモデリング概念---
Hauduc, H., Takács, I., Smith, S., Szabo, A., Murthy, S., Daigger, G.T., Spérandio, M., 2015. A dynamic physicochemical model for chemical phosphorus removal. Water Res. 73, 157–170. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.12.053
Hiemstra, T., VanRiemsdijk, W.H., 1996. A surface structural approach to ion adsorption: The charge distribution (CD) model. J. Colloid Interface Sci. 179, 488–508.
https://doi.org/10.1006/jcis.1996.0242
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Szabo, A., Takács, I., Murthy, S., Daigger, G.T., Licsko, I., Smith, S., 2008. Significance of design and operational variables in chemical phosphorus removal. Water Environ. Res. 80, 407–416. https://doi.org/10.2175/106143008X268498
Sumo モデルには 6 種類の沈殿物が実装されている（硫化鉄は Sumo2S でのみ利用可能）。
| Symbol | Name | Formula |
|---|---|---|
| XCaCO3 | 炭酸カルシウム（CaCO3） | CaCO3 |
| XSTR | ストルバイト（STR） | MgNH4PO4 * 6H2O |
| XBSH | ブルシャイト | CaHPO4 * 2H2O |
| XACP | 非晶質リン酸カルシウム（ACP） | Ca3(PO4)2 * 4H2O |
| XVivi | ビビアナイト（Vivi） | Fe3(PO4)2 * 8H2O |
| XFeS | 硫化鉄（FeS）（Sumo2S でのみ） | FeS |
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Musvoto, E., Wentzel, M., Loewenthal, R., Ekama, G., 2000. Integrated chemical-physical processes modelling - I. Development of a kinetic-based model for mixed weak acid/base systems. Water Res. 34, 1857e1867. http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00334-6.
PFAS（ペルフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物）とは、さまざまな用途に使用される一連の人為的なフッ素化合物を指す。これらの物質は環境中に自然には存在せず、生分解性が乏しいため自然界で残留性を持ち、地下水、表層水、土壌、堆積物に蓄積する。最も一般的に存在する 2 つを含む多数の PFAS、すなわち PFOS（ペルフルオロオクタンスルホン酸）と PFOA（ペルフルオロオクタン酸）は、高懸念の優先有害物質に指定されている。生分解が無視できることを考えると、環境中の PFAS の運命と分布は、基本的に粒子への収着によって決まり、これは分配に類似したプロセスとしてかなりよく記述できる。
SUMO24 は、自社のフルプラントモデルおよびフォーカスモデルのいずれにおいてもモデルオプションとして有効化できる速度論的分配モデルによって、PFOA と PFOS の追跡を提供する。単純に Models タブに移動し、「Micropollutants」の下にある「PFAS are considered」オプションを選択するだけでよい（デフォルト設定では考慮されない）。これにより、4 つの追加状態変数（粒子状および溶存の PFOA と PFOS）と 2 つの追加プロセス（PFOA と PFOS の収着）、および 4 つの追加モデルパラメータ（PFOA と PFOS の収着速度と平衡分配係数、「Conversion kinetics」の中に配置される）が導入される。
特に廃水処理に関して、下水汚泥で測定された中央値濃度と処理水中の中央値濃度との関係から、有効な水／有機炭素分配係数は PFOA について約 5000 L/kg、PFOS について約 20000 L/kg にあると示唆される（この特定のマトリックスについて、logKoc の値は Zareitalabad et al., 2013 により、PFOA と PFOS についてそれぞれ 3.7 および 4.3 と報告された）。これらの Koc 値は、平衡分配係数のデフォルトパラメータとして SUMO で使用される。収着メカニズムの速度論はマトリックスによって大きく異なり、ほとんどの研究は異なる種類の土壌に関するデータを公表しているため、それらを廃水に適用するには注意が必要である。SUMO は Wei et al., 2017 から導出されたデフォルトの収着速度値を使用するが、利用可能であれば現地測定に基づいてこのパラメータを見直すか、そのようなデータが利用できない場合は感度解析を実施することが推奨される。SUMO における PFAS 関連の収着プロセスの化学量論と速度式を以下に示す。
Zareitalabad, P., Siemens, J., Hamer, M., Amelung, W., 2013. Perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) in surface waters, sediments, soils and wastewater – A review on concentrations and distribution coefficients. Chemosphere 91, 725–732. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.02.024