厌氧消化是由微生物经过一系列的生化过程，将复杂大分子有机物转化为小分子的CH₄、CO₂、水和氨氮的过程。厌氧消化主要由水解、酸化、产氢产乙酸和产CH₄四个阶段组成，其工艺模型如图1所示。

水解阶段：污泥中的蛋白、多糖、脂肪和核酸等复杂有机物，在蛋白水解菌、纤维素水解菌、淀粉水解菌和脂肪水解菌的作用下，水解产生氨基酸、单糖、甘油等末端产物。

酸化阶段：水解阶段产生的小分子有机物通过酸化菌的代谢作用，转化为有机酸、H₂和 CO₂。例如，氨基酸，一部分用于合成微生物细胞组织，另一部分则通过脱氨、脱羧反应，分解成SCFAs、硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）等；单糖常经过糖酵解（EMP），产生 SCFA、H₂和 CO₂等小分子物质；长链脂肪酸则通过 β-氧化途径形成乙酰-CoA 和乙酸。另外，水解产物可通过丁酸型发酵、丙酸型发酵、乙醇型发酵转化为丁酸、丙酸和乙醇等特征产物，以及乙酸、H₂、CO₂等共有产物。

产氢产乙酸阶段：在厌氧条件下，异养型发酵菌能够将酸化阶段产生的丙酸、丁酸、戊酸、乳酸和醇等，进一步转化为乙酸，同时释放 H₂和 CO₂。另外，同型产乙酸菌能够利用分子氢和 CO₂产生乙酸。

产 CH₄阶段：产甲烷菌利用产氢产乙酸阶段产生的小分子物质：H₂/CO₂、甲醇、甲酸、甲胺和乙酸等产生 CH₄。其产 CH₄途径主要有以下两种方式：（1）乙酸分解产生 CH₄和 CO₂；（2）CO₂和 H₂反应合成 CH₄和水。