对厌氧生物处理的基本原理的研究先后经历了两阶段理论、三阶段理论和四阶段理论。目前为止，三阶段理论和四阶段理论是对厌氧生物处理过程较全面较准确的描述。厌氧生物处理过程机理十分复杂，对其更详细的描述有待进一步的科学研究。^q#0世纪30～60年代，人们普遍认为厌氧生物处理的原理为两阶段理论，即第一阶段是发酵阶段，也称产酸阶段或酸性发酵阶段，发酵细菌以废水中的有机物为底物，发生水解和酸化反应，将有机物降解为以脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气等为主的产物。第二阶段是产甲烷阶段，也称碱性发酵阶段，产甲烷菌利用第一阶段的产物脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气等为底物，终将其转化为甲烷和二氧化碳。
随着研究的不断深人，科学家在20世纪70年代又提出了三阶段理论，即整个厌氧消化过程可以分为水解、发酵阶段，产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段三个阶段。有机底物首先通过发酵细菌的作用生成乙酸、丙酸、丁酸和乳酸等，接着在产氢产乙酸菌的降解作用下，转化为乙酸和氢气或二氧化碳，然后再被产甲烷菌利用，终转化为甲烷和二氧化碳。其中产氢产乙酸菌和产甲烷菌之间存在着互利共生的关系。
几乎与三阶段理论的提出同时，科学家提出了四菌群学说即四阶段理论，与三阶段理论相比，该理论增加了同型（耗氢）产乙酸菌群，该菌群的代谢特点是能将氢气、二氧化碳合成乙酸。但是研究结果表明，这一部分乙酸的量较少，一般可忽略不计。
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