厭氧消化過程是一個非常復雜的生物處理過程，其中涉及的微生物種群頗多，因此厭氧消化過程可分為若干階段，國際上比較流行的厭氧消化階段理論可分為兩階段、三階段和四階段理論。

（1）兩階段理論

厭氧消化是一種在厭氧條件下的生物處理技術，有機物在厭氧消化中得到分解并產生CH4和CO2。“兩階段理論”流行于20世紀30～60年代，認為厭氧消化過程可分為產酸階段和產甲烷階段。在產酸階段，有機物在產酸細菌的作用下，分解成脂肪酸及其他產物，并合成新細胞；在產甲烷階段，脂肪酸在專性厭氧菌——產甲烷菌的作用下轉化為CH4和CO2。但是，酸性發酵階段的最終產物事實上不僅僅是酸，且發酵產生的氣體也并不都是從甲烷發酵階段產生的，因此，兩階段過程相對恰當的提法為非產甲烷階段和產甲烷階段。

1）非產甲烷階段　

在非產甲烷階段，污泥中含有的淀粉、纖維素、烴類和多糖等大分子有機物在兼性厭氧菌胞外酶的作用下進行水解和液化，然后再進入細胞體內，在胞內酶的作用下轉化為揮發性有機酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸）和硫化物。在該階段主要參與反應的微生物統稱發酵細菌或產酸細菌，其具有生長速率快，對溫度、pH值等環境條件適應性強等主要特點。在這一階段，污染物會發生以下變化：

① 由于有機物酸化的作用而導致pH值降低；

② 在酸化過程中，發生有機物的脫氫反應，會有H2產生；

③ 由于在水解酸化過程主要是有機物形態的變化，因此BOD和COD變化不明顯；

④ 在兼性厭氧菌分解有機物的過程中，產生的能量幾乎全部被消耗作為有機物發酵所需的能源，僅有少部分合成新細胞，細胞沒有增殖。一般產酸菌能夠很好地適應溫度、pH值的快速變化。

2）產甲烷階段　

在產甲烷階段，第一階段產生的甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等小分子有機物在經過產甲烷菌的作用下轉化為CH4，厭氧消化體系的pH值上升至7.0～7.5，因此，又稱為堿性發酵階段。該階段主要參與反應的微生物是產甲烷菌（Methaneproducingbacteria），其具有生長速率慢，世代時間長，對溫度、pH值、絕對厭氧、抑制物等環境條件極為敏感等主要特點。這一階段具有以下特征：

① 由于第一階段產生的中間產物和代謝產物均被產甲烷菌利用而分解成二氧化碳、甲烷和氨，導致pH值上升；

② 由于構成BOD或COD的有機物多以CO2和H2的形式逸出，所以BOD和COD明顯降低；

③ 產甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質轉化為甲烷，其中最主要的基質為乙酸。產甲烷菌對環境條件要求較高且繁殖速度慢，因此產氣階段是厭氧消化的限速關鍵。

（2）三階段理論

隨著對厭氧消化微生物不斷深入的研究，厭氧消化過程中產甲烷細菌和不產甲烷細菌之間的相互關系更加明確。1979年，根據微生物種群的生理分類特點，伯力特等提出了厭氧消化三階段理論。

第一階段，在水解與發酵細菌作用下，蛋白質、碳水化合物與脂肪等有機物經水解和發酵轉化為單糖、脂肪酸、氨基酸、甘油、二氧化碳和氫等。第二階段，在產氫產乙酸菌的作用下，第一階段的水解產物轉化成氫、二氧化碳和乙酸。

第三階段，在產甲烷菌的作用下，氫和二氧化碳轉化為甲烷或對乙酸脫羧產生甲烷。產甲烷階段產生的能量絕大部分用于維持細菌生存，只有少量用于合成新細菌，因此細胞的增殖很少。在厭氧消化的過程中，由乙酸轉化形成的CH4約占總量的2/3，由CO2還原形成的CH4約占總量的1/3。

由上可知，在厭氧消化中產氫產乙酸細菌具有極為重要的作用，它在水解與發酵細菌及產甲烷細菌之間的共生關系中，起到了聯系作用，通過不斷地提供大量的H2，作為產甲烷細菌的能源和還原CO2生成CH4的電子供體。

總之，厭氧消化過程中產生CH4、CO2與NH3等的計量化學反應方程式為：

當d=0時，為不含氮有機物的厭氧反應通式，即伯茲韋爾（Buswell）和莫拉（Mueller）通式：

（3）四階段理論

“四階段理論”與“三階段理論”幾乎同一時間出現，在該理論中參與厭氧消化過程的微生物可以分為五大類：水解酸化細菌（第一階段）、產氫產乙酸菌（第二階段）、同型產乙酸菌（第三階段）、耗氫產甲烷菌（第四階段）、耗乙酸產甲烷菌（第四階段）。

1—水解酸化細菌；2—產氫產乙酸菌；3—同型產乙酸菌；4—耗氫產甲烷菌；5—耗乙酸產甲烷菌

在“三階段理論”的基礎上，“四階段理論”增加了同型產乙酸菌，可將產氫產乙酸細菌產生的H2和CO2合成乙酸。

總體來講，“三階段理論”和“四階段理論”是目前公認的對厭氧消化機理較為全面的描述。

根據厭氧消化的特征，通常可以將厭氧消化分為部分厭氧消化和完全厭氧消化。如果產甲烷菌僅利用了第一階段水解酸化產生的乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等小分子有機物，則稱為不完全厭氧消化或部分厭氧消化；如果產氫產乙酸菌繼續將不能被產甲烷菌直接利用的乳酸、丙酸、丁酸、乙醇等有機物轉化為氫氣和乙酸，進而被產甲烷菌利用，則稱為完全厭氧消化。

碳水化合物、蛋白質和脂肪這三大類有機基質厭氧消化過程分述如下。

1）碳水化合物的厭氧分解　(www.ws46.com)

所謂碳水化合物，是指淀粉、纖維素、葡萄糖等糖類，其分子式一般為Cm（H2O）n。在生活污水的污泥中，碳水化合物約占20%。在消化過程第一階段，在胞外酶的作用下，碳水化合物（多糖）首先水解成單糖并滲入細胞，在胞內酶的作用下，進一步轉化為乙醇等醇類和乙酸等酸類。第一階段產生的醇類和酸類物質在第二階段被分解成甲烷和二氧化碳。1g可分解的碳水化合物的產氣約為790mL，其組成為50%CO2和50%CH4。

2）蛋白質的厭氧分解　

在消化過程第一階段，具有解朊酶（proteolytic）的菌能分泌出使蛋白質水解的酶，將蛋白質的大分子分解成簡單的組分，形成各種氨基酸、二氧化碳、尿素、氨、硫化氫、硫醇等。尿素則在尿素酶的作用下迅速地全部分解成二氧化碳和氨。在第二階段，氨基酸進一步分解成甲烷、二氧化碳和氨。1g蛋白質的平均產氣量約為704mL，其成分為29%CO2和71%CH4。

在1963年，MeCarty和Jeris曾用原子示蹤法研究了污泥消化過程中CH4的形成，其形成的百分率如圖所示。

3）脂肪的厭氧分解　

在脂肪分解的第一階段，在解脂菌或脂酶的作用下，脂肪水解成為脂肪酸和甘油。隨后在酸化細菌的作用下，進一步轉化為醇類和酸類。在第二階段二者進而分解成CO2和CH4。1g脂肪的平均產氣量為1250mL，其主要成分為22%CO2和68%CH4。