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厌氧消化是以成分复杂的有机物为基质，由多种群兼性厌氧和专性厌氧微生物参与的复杂代谢过程。在厌氧消化过程中存在基质链与生物链的交互作用。废水的厌氧生物处理是在无氧和无其他氧化物存在下，厌氧微生物将复杂的无机化合物降解，转化为简单、稳定的无机化合物，并释放能量。甲烷和二氧化碳是主要终产物，也有N2、H2、NH3、H2S出现。
有机物的厌氧分解是涉及多种微生物生理类群的复杂生物化学反应。大批学者研究了生化过程中不同阶段的能量水平不同营养功能菌群的代谢途径和不同微生物的形状等。
厌氧生物处理分几个阶段
主要分为三个阶段。
第一阶段为水解发酵阶段（也称酸化）。此阶段，通过兼性水解发酵菌（即产酸菌）的代谢活动，将复杂有机物——碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO2、H2、NH3和H2S等。
第二阶段为产氢产乙酸阶段。这一阶段，主要通过专性厌氧的产氢产乙酸菌的生理活动，将第一阶段细菌的代谢产物--丙酸及其他脂肪酸、醇类和某些芳香族酸转化为乙酸、CO，和H。
第三阶段为产甲烷阶段。主要是由产甲烷菌利用第一阶段、第二阶段产生的乙酸，CO2，H2(还有甲酸、甲醇和甲胺)等为主要基质，最终转化为CH和CO2。产甲烷菌包括两种特异性很强的细菌:一群产甲烷菌主要利用H把CO还原为CH(也可利用甲酸);另一群产甲烷菌主要以乙酸为基质(也可利用甲醇和甲胺)，把它分解为CH和CO2。在这一阶段中，据研究还有一种同型产乙酸菌可把CH。和CO2合成为乙酸。
厌氧消化是一个多种群多层次的混合发酵过程，在这个复杂的系统中，细菌种群之间存在着互相依存、互相影响和互相制约的关系，其代谢产物之间在系统内也存在着动态平衡。
厌氧消化池中水处理中用来代替化粪池。
依据微生物生理类群的代谢差异，Zeikus提出的“三段四菌群”学说是目前普遍为人接受的观点，它提出厌氧消化是在四个微生物菌群(水解菌群、产氢产乙酸菌群、同型产乙酸菌群、产甲烷菌群)的作用下完成。其过程可以分为三个阶段。
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