厭氧生物處理是在工業污水處理中較普遍的一種處理技術。厭氧生物處理是在無氧條件下，通過厭氧菌和兼性菌的代謝作用，對有機物進行生化降解的處理方法。用作生物處理的厭氧菌需有數種菌種接替完成，整個生化過程分為兩個階段。

第一階段是酸性發酵階段。在分解初期，厭氧菌活動中的分解產物為有機酸、醇、CO₂、NH₃、H₂S以及其他一些硫化物，這時廢水發出臭氣。如果廢水中含有鐵質，則生成硫化鐵等黑色物質，使廢水呈黑色。此階段內有機酸大量積累，pH下降，故稱為酸性發酵階段。參與此階段的細菌稱為產酸細菌。

第二階段是堿性發酵階段，又稱甲烷發酵階段。由于所產生的NH3的中和作用，廢水的pH逐漸上升，這時另一群統稱為甲烷細菌的厭氧菌開始分解有機酸和醇，產物主要為CH₄和CO₂，此時隨著甲烷細菌的繁殖，有機酸迅速分解，pH迅速上升，所以又稱堿性發酵階段。

厭氧生物處理的產物為氣體，以CH₄和CO₂為主，另有少量的H₂S和H₂。

相比于好氧生物處理，好氧生物處理效率高。但好氧生物處理的能耗較高，剩余污泥量較多，特別不適宜處理高濃度有機廢水和污泥。厭氧生物處理和好氧生物處理的顯著差別在于：一是不需供氧；二是產物為熱值很高的甲烷氣體，可用作清潔能源；三是特別適宜于處理城市污水處理廠的污泥和高濃度有機工業廢水。

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