厭氧消化(anaerobic digestion)是在無氧條件下，污泥中的有機物由厭氧微生物進行降解和穩定的過程。
厭氧消化的生化階段
第Ⅰ階段–水解產酸階段
污水中不溶性大分子有機物，如多糖、淀粉、纖維素、烴類（烷、烯、炔等）水解，主要產物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸；緊接著氨基酸、蛋白質、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的書又把水解產酸分為二個階段）。
第Ⅱ階段–厭氧發酵產氣階段
第Ⅰ階段產物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有機物在產甲烷菌的作用下，通過甲烷菌的發酵過程將這些小分子有機物轉化為甲烷。所以在水解酸化階段COD、BOD值變化不很大，僅在產氣階段由于構成COD或BOD的有機物多以CO2和H2的形式逸出，才使廢水中COD、BOD明顯下降。
在酸化階段，發酵細菌將有機物水解轉化為能被甲烷菌直接利用的第1類小分子有機物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第2類為不能被甲烷菌直接利用的有機物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厭氧消化或發酵到此結束。如果繼續全厭氧過程，則產氫、產乙酸菌將第2類有機物進一步轉化為氫氣和乙酸。
第Ⅱ階段生化過程是產甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質通過不同途徑轉化為甲烷，其中最主要的基質為乙酸。
發酵條件控制
（1）營養與環境條件
厭氧要求有機物濃度較高，一般大于1000mg/L以上。所以厭氧適于處理高濃度有機廢水和污泥處理。和好氧生物處理一樣，厭氧處理也要求供給全面的營養，但好氧細菌增殖快，有機物有50～60%用于細菌增殖，故對N、P要求高；而厭氧增殖慢，BOD僅有5～10%用于合成菌體，對N、P要求低。
COD∶N∶P＝200∶5∶1或C∶N＝12～16
（好氧COD∶N∶P＝100∶5∶1）
厭氧過程對環境條件要求比較嚴格：
Ⅰ、氧化還原電位（φE）與溫度
氧的溶入和氧化態、氧化劑的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+會使體系中電位升高，對厭氧消化不利。
高溫消化–500～600mv，50～55℃
中溫消化–300～380mv，30～38℃
產酸菌對氧還-還電位要求不甚嚴格＋100～－100mv
產甲烷菌對氧還-還電位要求嚴格＜－350mv
Ⅱ、pH及堿度
pH主要取決于三個生化階段的平衡狀態，原液本身的pH和發酵系統中產生的CO2分壓（20.3～40.5kpa），正常發酵pH＝7.2～7.4，有機負荷太大，水解和酸化過程的生化速率大大超過產氣速率。將導致水解產物有機酸的積累使pH下降，抑制甲烷菌的生理機能，使氣化速率銳減，所以原液pH＝6～8，發酵過程有機酸濃度不超過3000mg/L為佳（以乙酸計）。
HCO3-及NH3是形成厭氧處理系統堿度的主要原因，高的堿度具有較強的緩沖能力，一般要求堿度2000mg/L以上，NH3濃度50～200mg/L為佳。
Ⅲ、毒物–凡對厭氧處理過程起抑制和毒害作用的物質都可稱為毒物，無機酸濃度不應使消化液pH＜6.8；氨氮濃度不宜高于1500mg/L，其它化學物質的抑制濃度見下表。一般來說，多數毒物對甲烷細菌的毒性比對其它細菌的毒性要大。
| 物 質 | 抑制濃度 | 物 質 | 抑制濃度 |
|---|---|---|---|
| S2- | 100 | Al | 50 |
| Cl– | 200 | TNT | 60 |
| Cr+6 | 3 | Na2S2O3 | 200 |
| Cu2+ | 100~250 | 去垢劑 | 100（陽離子型） |
| Cr3+ | 25 | 去垢劑 | 500（陽離子型） |
| CN– | 2~10 | HCHO– | <100 |
（2）工藝操作條件
Ⅰ、生物量–大小以污泥濃度表示，一般介于10～30gvss/L之間，為防止反應器中污泥流失，可采用裝入填料介質使細菌附著掛膜，調節水流速度或污泥回流量。
Ⅱ、負荷率–表示消化裝置處理能力的一個參數，負荷率有三種表示方法：
①容積負荷率–反應器單位有效容積在單位時間內接納的有機物量kg/m3·d。
②污泥負荷率–反應器內單位重的污泥在單位時間內接納的有機物量kg/kg·d。
③投配率–每天向單位有效容積投加的材料的體積m3/m3·d。
投配率的倒數為平均停留時間或消化時間，單位為d（天），投配率池可用百分率表示。
負荷率的影響：
①當有機物負荷率很高時，營養充分，代謝產物有機酸產量很大，超過甲烷菌的吸收利用能力，有機酸積累pH下降，是低效不穩定狀態。
②負荷率適中，產酸細菌代謝產物中的有機物（有機酸）基本上能被甲烷菌及時利用，并轉化為沼氣，殘存有機酸量僅為幾百毫克/升。pH＝7～7.5，呈弱堿性，是高效穩定發酵狀態。
③當有機負荷率小，供給養料不足，產酸量偏少，pH＞7.5是堿性發酵狀態，是低效發酵狀態。
Ⅲ、溫度控制–發酵要求較高的溫度，每去除8000mg/L的COD所產沼氣，能使水溫升高10℃，一般工藝設計中溫消化30～35℃。
Ⅳ、pH的控制–當液料pH＜6.5或高于8.0，則要調整液料pH。
pH＜6.8～7，應減少有機負荷率，
pH＜6.5，應停止加料，必要時加入石灰中和