要將複雜的大分子有機汙染物，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，因此在厭氧處理係統中必須存在能夠產生水解酶的微生物群。如果有機汙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製步驟，也是影響汙染物降解效果的關鍵。
碳水化合物的代表是澱粉和纖維素。澱粉的水解比較容易，許多厭氧細菌都能夠分泌澱粉酶，如：丁酸羧菌（Clostridium bifermentus）、乳杆菌（Lactobacillus）、枯草芽孢杆菌、蠟狀芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等，它們都能產生水解α-1,4和α-1,6-糖苷鍵的澱粉酶，因此能將澱粉、糖原及其他多糖降解成單糖，以便於這些細菌本身及其他微生物利用。在厭氧消化液中，產澱粉酶的細菌濃度約為4×104個/ml。
纖維素的水解要比澱粉困難得多。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，其餘都是革蘭陰性菌。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杆菌（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製，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隻能作用於甘油酯的1和3位的酯鍵，隻有少數作用於甘油酯的所有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。
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