廢水厭氧生化處理是指在無分子氧條件下，通過厭氧生物（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復雜有機物分子轉化成甲烷、二氧化碳等物質的過程，也稱為厭氧消化，復雜有機物的厭氧消化過程要歷經數個階段，由不同的微生物群接替完成，大體分為四個階段，水解、酸化、產氫產乙酸、產甲烷。

第一個水解階段，高分子有機物由于分子量過大，不能直接透過微生物的細胞壁，需要通過微生物體外通過胞外酶分解成小分子，廢水中典型的有機物，比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被分解成短肽和氨基酸。分解后這些小分子能夠通過細胞壁進入細胞體內，進行下一步的分解。

第二為發酵產酸階段，上述可溶性的單糖氨基酸和長鏈脂肪酸等進入到細胞體內轉化成更為簡單的化合物并被分泌到細胞外，這一階段的主要產物為揮發性的脂肪酸同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產物產生。

水解和酸化大多數合并在一起，即水解酸化階段，主要是由發酵細菌完成。參與該階段的菌種主要有丁酸弧菌屬、梭菌屬、擬桿菌屬、和雙歧桿菌屬等。其中絕大多數是嚴格的厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌，它們能夠起到保護像甲烷菌這樣的嚴格厭氧菌，免受氧的抑制與損害，當出現微量氧的時候能夠快速利用掉氧氣。

第三階段為產氫產乙酸階段，上一步的產物進一步被轉化成乙酸、二氧化碳、氫氣以及新的細胞物質。

主要產酸產乙酸的菌屬主要為：梭菌屬、互營單細胞菌屬、互營桿菌屬、暗桿菌屬。多數都是嚴格厭氧菌，也有少量的兼氧菌。

第四部分為產甲烷階段，在這個階段中，乙酸、二氧化碳、氫氣、甲酸和甲醇都被轉化為甲烷和二氧化碳和新的細胞物質。

產甲烷的主要反應有：

產甲烷反應一般分為兩類，一類是乙酸營養型產甲烷菌，一類是氫營養型產甲烷菌，在厭氧反應器中，大概有70%的甲烷來自于乙酸的氧化分解，另外有30%的二氧化碳的合成。

乙酸產甲烷菌主要有兩類，甲烷八疊球菌和甲烷絲狀菌，而其他產甲烷菌屬只能利用氫氣和二氧化碳或甲酸生成甲烷，產甲烷細菌都是專性嚴格的厭氧菌，對氧非常的敏感，遇氧后會立即受到抑制不能生長繁殖，有的會死亡，大多數中溫產甲烷菌的，大多數產甲烷菌的PH適應范圍為6.8~7.2左右。

上述四個階段的反應速度，以廢水的性質而異，雖然厭氧反應階段被分為四個階段，但整個系統，四個階段是同時進行的，并保持某種程度的動態平衡，這種動態平衡一旦被PH值、溫度、有機負荷等外加因素所破壞，首先將會使產甲烷階段受到抑制，其結果會導致低級脂肪酸的積累和厭氧進行的異常變化，真的會導致整個厭氧消化過程的停滯。