在厭氧處理過程中，廢水中的有機物經大量微生物的共同作用，被最終轉化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨等。在此過程中，不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成了復雜的生態系統。對高分子有機物的厭氧過程的敘述，有助于我們了解這一過程的基本內容。

高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段：水解階段、發酵(或酸化)階段、產乙酸階段和產甲烷階段。

(1)水解階段

水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉化為簡單的溶解性單體或二聚體的過程。

高分子有機物因相對分子量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。它們在第一階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被蛋白質酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。水解過程通常較緩慢，因此被認為是含高分子有機物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、有機物的組成、水解產物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。水解速度的可由以下動力學方程加以描述：ρ=ρo/(1+Kh.T)

ρ ――可降解的非溶解性底物濃度（g/L）；

ρo―――非溶解性底物的初始濃度（g/L）；

Kh――水解常數（d^-1）；

T――停留時間（d）

（2）發酵（或酸化）階段

發酵可定義為有機物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過程，在此過程中溶解性有機物被轉化為以揮發性脂肪酸為主的末端產物，因此這一過程也稱為酸化。

在這一階段，上述小分子的化合物發酵細菌（即酸化菌）的細胞內轉化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外。發酵細菌絕大多數是嚴格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護像甲烷菌這樣的嚴格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產物有揮發性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等，產物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。與此同時，酸化菌也利用部分物質合成新的細胞物質，因此，未酸化廢水厭氧處理時產生更多的剩余污泥。

在厭氧降解過程中，酸化細菌對酸的耐受力必須加以考慮。酸化過程pH下降到4時能可以進行。但是產甲烷過程pH值的范圍在6.5～7.5之間，因此pH值的下降將會減少甲烷的生成和氫的消耗，并進一步引起酸化末端產物組成的改變。

(3)產乙酸階段

在產氫產乙酸菌的作用下，上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質。

其某些反應式如下：

CH3CHOHCOO-+2H2O ―> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL

CH3CH2OH+H2O－> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL

CH3CH2CH2COO-+2H2O－> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL

CH3CH2COO-+3H2O－> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL

4CH3OH+2CO2－> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL

2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL

(4)甲烷階段

這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。

甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳和氫氣等轉化為甲烷的過程有兩種生理上不同的產甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產生甲烷，前者約占總量的1/3，后者約占2/3。

最主要的產甲烷過程反應有：

CH3COO-+H2O－>CH4+HCO3- ΔG’0=-31.0KJ/MOL

HCO3-+H++4H2－>CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL

4CH3OH－>3CH4+CO2+2H2O ΔG’0=-312KJ/MOL

4HCOO-+2H+－>CH4+CO2+2HCO3- ΔG’0=-32.9KJ/MOL

在甲烷的形成過程中，主要的中間產物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。

需要指出的是：一些書把厭氧消化過程分為三個階段，把第一、第二階段合成為一個階段，稱為水解酸化階段。在這里我們則認為分為四個階段能更清楚反應厭氧消化過程。

上述四個階段的反應速度依廢水的性質而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般蛋白質均能被微生物迅速分解，對含這類有機物的廢水，產甲烷易成為限速階段。雖然厭氧消化過程可分為以上四個過程，但是在厭氧反應器中，四個階段是同時進行的，并保持某種程度的動態平衡。該平衡一旦被pH值、溫度、有機負荷等外加因素所破壞，則首先將使產甲烷階段受到抑制，其結果會導致低級脂肪酸的積存和厭氧進程的異常變化，甚至導致整個消化過程停滯。