水解發酵細菌
要將復雜的大分子有機污染物，如碳水化合物、脂肪和蛋白質等降解的第一步是要將它們水解為能夠被微生物利用的小分子單體，因此在厭氧處理系統中必須存在能夠產生水解酶的微生物群。如果有機污染物主要以大分子的形式存在，水解作用往往是整個消化過程的速率限制步驟，也是影響污染物降解效果的關鍵。
碳水化合物的代表是淀粉和纖維素。淀粉的水解比較容易，許多厭氧細菌都能夠分泌淀粉酶，如：丁酸羧菌（Clostridium bifermentus）、乳桿菌（Lactobacillus）、枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等，它們都能產生水解α-1,4和α-1,6-糖苷鍵的淀粉酶，因此能將淀粉、糖原及其他多糖降解成單糖，以便于這些細菌本身及其他微生物利用。在厭氧消化液中，產淀粉酶的細菌濃度約為4×104個/ml。
纖維素的水解要比淀粉困難得多。纖維素是由葡萄糖經β-1,4糖苷鍵連接而成的大分子，纖維素的水解是外切纖維素酶、內切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶共同作用的結果。在厭氧消化液中，纖維分解菌的濃度約為4×105個/ml。有人在處理豬糞的消化液中分離得到了11種中溫纖維素分解菌，除一種外，其余都是革蘭陰性菌。熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）是一種高溫菌，能夠將纖維素直接轉化為乙醇和乙酸。半纖維素酶在厭氧消化的初期起著重要作用。同樣，在處理豬糞的消化液中分離得到了4種產半纖維素酶的菌種，其中一種經鑒定為瘤胃擬桿菌（Bacteroides ruminicola）。
在厭氧消化器中，脂肪的水解尚未得到普遍證實，其原因可能是在細菌的混合培養時脂肪酶的活力會受到蛋白酶的抑制，但也有實驗證明乳品加工工業廢物中的脂肪可以被脂肪酶水解為脂肪酸和甘油。許多微生物產生的脂肪酶只能作用于甘油酯的1和3位的酯鍵，只有少數作用于甘油酯的所有3個酯鍵。消化液中分解脂肪菌的濃度約為104~105個/ml，主要是梭菌和微球菌。
蛋白質分解菌能夠產生蛋白酶。若廢物中的蛋白質濃度較高，蛋白質分解菌的重要性就增加了。厭氧消化系統中能產蛋白酶的菌種很多，主要的有：雙酶梭菌（Clostridium bifermentans）、丁酸梭菌（Clostridium butyricum）、產氣甲膜梭菌（Clostridium perfringens）、芒氏梭菌（Clostridium mangenotii）、象牙海岸梭菌（Clostridium litusburense）、厭氧消化球菌（Peptococcus anaerobius）及金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等。此外八疊球菌屬（Sarcina）、擬桿菌屬（Bacteriodes）及丙酸桿菌屬（Proprionibacterium）的某些種也能生產蛋白酶。有些能產生蛋白酶的菌還同時具有水解多糖的能力。不同來源的蛋白酶有不同的最適pH值，對底物的專一性也有很大差別，例如由溶組織梭菌（Clostridium histolyticum）產生的蛋白酶只能作用于蛋白質的羧基端，而鏈球菌（Streptococci）的蛋白酶則具有水解多種蛋白質的能力。在厭氧消化系統中產蛋白酶細菌的密度約為104~105個/ml。
在厭氧消化系統中微生物的產酶能力受到底物和產物濃度的影響，可能存在底物或產物的抑制和阻遏，蛋白酶則會引起酶蛋白本身的水解。
蛋白質的水解產物氨基酸能夠被微生物攝入體內進行發酵，主要代謝途徑是脫氫反應和還原脫氨反應。脫氫反應可以將有機物氧化分解，產生的氫將被甲烷菌利用合成甲醇。氯仿會抑制甲烷菌的活性，從而抑制氨基酸的脫氫降解并改變所產生的揮發性有機酸組成。甘氨酸也是一種氫受體，因此如果在厭氧消化系統中加入甘氨酸，就能夠減輕氯仿對氨基酸降解的抑制作用。通過還原脫氨反應，精氨酸將被分解為NH3和CO2，鳥氨酸被轉化為乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，賴氨酸則分解為乙酸和丁酸等。參與氨基酸厭氧代謝的微生物主要有：梭菌、鏈球菌及支原體（Mycoplasmas）等。
多糖的水解產物是單糖，能夠被許多微生物所利用，特別是葡萄糖，幾乎能作為所有微生物的碳源，厭氧發酵的主要產物是乙酸、乳酸及氫等，但是巨球型菌（Megasphaera）、丙酸梭菌（Clostridium propionicum）、戊糖丙酸桿菌（Propionibacterium pentosaceum ）及謝氏丙酸桿菌（Propionibacterium shermanii）的發酵產物是丙酸和丁二酸。乳酸菌發酵的主要產物是乳酸。同型乳酸發酵菌（Homofermentative bacteria）能將一分子葡萄糖轉化為兩分子乳酸，而異型乳酸發酵菌（Heterofermentative bacteria）的發酵產物除乳酸外還有乙酸及乙醇等。能利用葡萄糖的微生物一般都能以乳酸作為碳源并將乳酸進一步分解為乙酸等產物；反之則不一定，如有一株巨球型菌就不能代謝乳酸。有些乳酸發酵菌還能利用檸檬酸作為碳源，發酵產物是3-羥基丙酮和丁二酮，如乳脂鏈球菌（Streptococcus cremoris），這類細菌在厭氧處理含檸檬酸的廢水（如檸檬酸發酵工業和乳制品工業等）時起著重要的作用。
