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厭氧消化是以成分復雜的有機物為基質，由多種群兼性厭氧和專性厭氧微生物參與的復雜代謝過程。在厭氧消化過程中存在基質鏈與生物鏈的交互作用。廢水的厭氧生物處理是在無氧和無其他氧化物存在下，厭氧微生物將復雜的無機化合物降解，轉化為簡單、穩定的無機化合物，并釋放能量。甲烷和二氧化碳是主要終產物，也有N2、H2、NH3、H2S出現。
有機物的厭氧分解是涉及多種微生物生理類群的復雜生物化學反應。大批學者研究了生化過程中不同階段的能量水平不同營養功能菌群的代謝途徑和不同微生物的形狀等。
厭氧生物處理分幾個階段
主要分為三個階段。
第一階段為水解發酵階段（也稱酸化）。此階段，通過兼性水解發酵菌（即產酸菌）的代謝活動，將復雜有機物——碳水化合物、蛋白質和脂類等發酵成為有機酸、醇類、CO2、H2、NH3和H2S等。
第二階段為產氫產乙酸階段。這一階段，主要通過專性厭氧的產氫產乙酸菌的生理活動，將第一階段細菌的代謝產物--丙酸及其他脂肪酸、醇類和某些芳香族酸轉化為乙酸、CO，和H。
第三階段為產甲烷階段。主要是由產甲烷菌利用第一階段、第二階段產生的乙酸，CO2，H2(還有甲酸、甲醇和甲胺)等為主要基質，最終轉化為CH和CO2。產甲烷菌包括兩種特異性很強的細菌:一群產甲烷菌主要利用H把CO還原為CH(也可利用甲酸);另一群產甲烷菌主要以乙酸為基質(也可利用甲醇和甲胺)，把它分解為CH和CO2。在這一階段中，據研究還有一種同型產乙酸菌可把CH。和CO2合成為乙酸。
厭氧消化是一個多種群多層次的混合發酵過程，在這個復雜的系統中，細菌種群之間存在著互相依存、互相影響和互相制約的關系，其代謝產物之間在系統內也存在著動態平衡。
厭氧消化池中水處理中用來代替化糞池。
依據微生物生理類群的代謝差異，Zeikus提出的“三段四菌群”學說是目前普遍為人接受的觀點，它提出厭氧消化是在四個微生物菌群(水解菌群、產氫產乙酸菌群、同型產乙酸菌群、產甲烷菌群)的作用下完成。其過程可以分為三個階段。
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