污泥厌氧消化是一个多阶段的复杂过程，对厌氧消化的生化过程有两段理论、三段理论和四段理论。其中三段理论指需要经过三个阶段，即水解、酸化阶段，乙酸化阶段，甲烷化阶段。各阶段之间既相互联系又相互影响，各个阶段都有各自特色微生物群体。

污泥厌氧消化水解酸化阶段

一般水解过程发生在污泥厌氧消化初始阶段，污泥中的非水溶性高分子有机物，如碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物质。水解后的物质在兼性菌和厌氧菌的作用下，转化成短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，还有乙醇、二氧化碳。

污泥厌氧消化乙酸化阶段

水解阶段产生的简单可溶性有机物在产氢和产酸细菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸（如丙酸、乙酸、丁酸、长链脂肪酸）醇、酮、醛、二氧化碳和氢气等。该过程中乙酸菌和甲烷菌是共生的。

污泥厌氧消化甲烷化阶段

甲烷化阶段发生在污泥厌氧消化后期，在这一过程中，甲烷菌将乙酸（CH₃COOH）和H₂、CO₂分别转化为甲烷， 如下：

2CH₃COOH→2CH₄↑ 2CO₂↑

4H₂ CO₂→CH₄ 2H₂O

在整个厌氧消化过程中，由乙酸产生的甲烷约占总量的2/3，由CO₂和H₂转化的甲烷约占总量的1/3。