厌氧消化(anaerobic digestion)是在无氧条件下，污泥中的有机物由厌氧微生物进行降解和稳定的过程。
厌氧消化的生化阶段
第Ⅰ阶段–水解产酸阶段
污水中不溶性大分子有机物，如多糖、淀粉、纤维素、烃类（烷、烯、炔等）水解，主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸；紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的书又把水解产酸分为二个阶段）。
第Ⅱ阶段–厌氧发酵产气阶段
第Ⅰ阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有机物在产甲烷菌的作用下，通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷。所以在水解酸化阶段COD、BOD值变化不很大，仅在产气阶段由于构成COD或BOD的有机物多以CO2和H2的形式逸出，才使废水中COD、BOD明显下降。
在酸化阶段，发酵细菌将有机物水解转化为能被甲烷菌直接利用的第1类小分子有机物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第2类为不能被甲烷菌直接利用的有机物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厌氧消化或发酵到此结束。如果继续全厌氧过程，则产氢、产乙酸菌将第2类有机物进一步转化为氢气和乙酸。
第Ⅱ阶段生化过程是产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质通过不同途径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸。
发酵条件控制
（1）营养与环境条件
厌氧要求有机物浓度较高，一般大于1000mg/L以上。所以厌氧适于处理高浓度有机废水和污泥处理。和好氧生物处理一样，厌氧处理也要求供给全面的营养，但好氧细菌增殖快，有机物有50～60%用于细菌增殖，故对N、P要求高；而厌氧增殖慢，BOD仅有5～10%用于合成菌体，对N、P要求低。
COD∶N∶P＝200∶5∶1或C∶N＝12～16
（好氧COD∶N∶P＝100∶5∶1）
厌氧过程对环境条件要求比较严格：
Ⅰ、氧化还原电位（φE）与温度
氧的溶入和氧化态、氧化剂的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+会使体系中电位升高，对厌氧消化不利。
高温消化–500～600mv，50～55℃
中温消化–300～380mv，30～38℃
产酸菌对氧还-还电位要求不甚严格＋100～－100mv
产甲烷菌对氧还-还电位要求严格＜－350mv
Ⅱ、pH及碱度
pH主要取决于三个生化阶段的平衡状态，原液本身的pH和发酵系统中产生的CO2分压（20.3～40.5kpa），正常发酵pH＝7.2～7.4，有机负荷太大，水解和酸化过程的生化速率大大超过产气速率。将导致水解产物有机酸的积累使pH下降，抑制甲烷菌的生理机能，使气化速率锐减，所以原液pH＝6～8，发酵过程有机酸浓度不超过3000mg/L为佳（以乙酸计）。
HCO3-及NH3是形成厌氧处理系统碱度的主要原因，高的碱度具有较强的缓冲能力，一般要求碱度2000mg/L以上，NH3浓度50～200mg/L为佳。
Ⅲ、毒物–凡对厌氧处理过程起抑制和毒害作用的物质都可称为毒物，无机酸浓度不应使消化液pH＜6.8；氨氮浓度不宜高于1500mg/L，其它化学物质的抑制浓度见下表。一般来说，多数毒物对甲烷细菌的毒性比对其它细菌的毒性要大。
| 物 质 | 抑制浓度 | 物 质 | 抑制浓度 |
|---|---|---|---|
| S2- | 100 | Al | 50 |
| Cl– | 200 | TNT | 60 |
| Cr+6 | 3 | Na2S2O3 | 200 |
| Cu2+ | 100~250 | 去垢剂 | 100（阳离子型） |
| Cr3+ | 25 | 去垢剂 | 500（阳离子型） |
| CN– | 2~10 | HCHO– | <100 |
（2）工艺操作条件
Ⅰ、生物量–大小以污泥浓度表示，一般介于10～30gvss/L之间，为防止反应器中污泥流失，可采用装入填料介质使细菌附着挂膜，调节水流速度或污泥回流量。
Ⅱ、负荷率–表示消化装置处理能力的一个参数，负荷率有三种表示方法：
①容积负荷率–反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量kg/m3·d。
②污泥负荷率–反应器内单位重的污泥在单位时间内接纳的有机物量kg/kg·d。
③投配率–每天向单位有效容积投加的材料的体积m3/m3·d。
投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d（天），投配率池可用百分率表示。
负荷率的影响：
①当有机物负荷率很高时，营养充分，代谢产物有机酸产量很大，超过甲烷菌的吸收利用能力，有机酸积累pH下降，是低效不稳定状态。
②负荷率适中，产酸细菌代谢产物中的有机物（有机酸）基本上能被甲烷菌及时利用，并转化为沼气，残存有机酸量仅为几百毫克/升。pH＝7～7.5，呈弱碱性，是高效稳定发酵状态。
③当有机负荷率小，供给养料不足，产酸量偏少，pH＞7.5是碱性发酵状态，是低效发酵状态。
Ⅲ、温度控制–发酵要求较高的温度，每去除8000mg/L的COD所产沼气，能使水温升高10℃，一般工艺设计中温消化30～35℃。
Ⅳ、pH的控制–当液料pH＜6.5或高于8.0，则要调整液料pH。
pH＜6.8～7，应减少有机负荷率，
pH＜6.5，应停止加料，必要时加入石灰中和