厌氧处理是利用厌氧菌的作用，去除废水中的有机物，通常需要时间较长。

厌氧过程可分为水解阶段、酸化阶段和甲烷化阶段。

水解酸化的产物主要是小分子有机物，使废水中溶解性有机物显著提高，而微生物对有机物的摄取只有溶解性的小分子物质才可直接进入细胞内，而不溶性大分子物质首先要通过胞外酶的分解才得以进入微生物体内代谢。例如天然胶联剂(主要为淀粉类)，首先被转化为多糖，再水解为单糖。纤维素被纤维素酶水解成纤维二糖与葡萄糖。半纤维素被聚木糖酶等水解成低聚糖和单糖。

水解过程较缓慢，同时受多种因素的影响，是厌氧降解的限速阶段。在酸化这一阶段，上述第一阶段形成的小分子化合物在发酵细菌即酸化菌的细胞内转化为更简单的化合物并分泌到细菌体外，主要包括挥发性有机酸(VFA)、乳醇、醇类等，接着进一步转化为乙酸、氢气、碳酸等。酸化过程是由大量发酵细菌和产乙酸菌完成的，他们绝大多数是严格厌氧菌，可分解糖、氨基酸和有机酸。

厌氧微生物对苯环化合物也具有降解作用。低分子量的苯环化合物受到厌氧降解时，要经过三个步骤。

第一步是:惰性的化合物受到活化，其中包括羧基化反应、厌氧羟基反应和CoA硫醚键的形成，苯环化合物必须形成一些苯环中间产物，以便接受到还原攻击，这些反应包括脱羟基反应或转羟基反应;

第二步:中心苯环中间产物受到厌氧微生物生物还原酶的攻击，形成脂环化合物通过生物作用形成3-氧代化合物或直接还原成3-氧代化合物;

第三步:非脂环化合物被转化为中心代谢物。

经研究发现，将厌氧过程控制在水解和酸化阶段，可以在短时间内和相对高的负荷下获得较高的悬浮物去除率，并大大改善和提高废水的可生化性和溶解性。且水解酸化不需要密闭的池，也不需要复杂的三相分离器，出水无厌氧发酵的不良气味，因而也不会影响废水处理厂的环境，所以将厌氧控制在水解酸化阶段。