在無氧條件下進行的生物處理稱為厭氧生物處理。厭氧生物處理（或稱厭氧發酵）是一種普遍存在于自然界的微生物過程。凡是有水和有機物存在的地方，只要供氧條件不好并且有機物含量較多，都會發生厭氧發酵現象，使有機物經厭氧分解而產生CH4、CO2和H2S等氣體。厭氧生物處理是一種多菌群多層次的厭氧發酵過程，菌類種群繁多，相互關系復雜，其中數量最多且作用最大的微生物是細菌。真菌（絲狀真菌和酵母）和部分原生動物雖也能存活，但數量不多，難以發揮重要作用。
厭氧生物處理過程中參與有機物逐級降解的細菌以專性厭氧菌和兼氧菌為主，主要有三大類群，依次為（1）發酵細菌、（2）產氫產乙酸細菌和（3）甲烷細菌。此外，還存在著一種利用厭氧過程中產生的H2和CO2等無機基質橫向轉化為乙酸的細菌，稱為同型產乙酸細菌。
厭氧生物處理過程可分為三個階段。在第一階段（通常稱為水解發酵階段），參與菌群為發酵細菌。廢水中不溶性的大分子有機物（如蛋白質、纖維素、淀粉和脂肪等）經水解酶的作用，在溶液中分解為水溶性的小分子有機物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖和甘油等）。原先顆粒狀的各種可見物“消失”了，變成了均質的溶液。
在第二階段（通常稱為產氫產乙酸階段），參與菌群為發酵細菌和產氫產乙酸細菌。首先，第一階段產生的水解產物被發酵細菌攝入細胞內，經過一系列生化反應后，將代謝產物排出細胞外。由于發酵細菌種群不一，代謝途徑各異，故代謝產物也各不相同。其中無機的CO2及H2和有機的三甲一乙（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被產甲烷細菌吸收利用，轉化為甲烷和二氧化碳。而其他眾多的代謝產物（如丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸等有機酸，以及乙醇、丙酮等有機物質）必須進一步經過第二類菌群產氫產乙酸細菌轉化為氫和乙酸后，方能被產甲烷細菌吸收利用，并轉化為甲烷和二氧化碳。因此，在第二階段實際上前后發生分別有發酵細菌和產氫產乙酸細菌參與的兩次產酸過程，使溶液酸度增加，pH值下降。
在第三階段（通常稱為產甲烷階段），參與菌群為甲烷細菌。甲烷細菌直接利用第二階段產生的CO2、H2、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸，將其轉化為CH4和CO2等氣態產物的形式逸出，從而除去了廢水賴以構成COD和BOD的主要元素“有機碳”。厭氧生物處理的全過程如圖1所示。
參與厭氧生物處理的細菌，除以上三個種群外，還有一個同型產乙酸細菌種群，這類細菌可將中間代謝產物的H2和CO2（甲烷細菌能直接利用的一組基質）轉化為乙酸（甲烷細菌能直接利用的另一種基質）。由于它是中間產物的橫向轉換，因而沒有將它算作獨立的有機物縱向降解階段。
① — 發酵性細菌；② — 產氫產乙酸細菌；③ — 同型產乙酸菌；
④ — 利用H2和CO2的產甲烷菌；⑤ — 分解乙酸的產甲烷菌；
圖1 厭氧生物處理全過程示意
根據有機物在厭氧生物處理過程中所要求達到的分解程度的不同，可將厭氧生物處理工藝分為兩種大的類型，即水解酸化處理和甲烷化處理。水解酸化處理是一種不完全或不徹底的有機物厭氧降解過程，僅經歷上述厭氧生物處理的第一階段和第二階段，最終發酵產物是主要是水溶性的有機酸及少量的醇和酮等。
水解酸化的目的僅在于使復雜的有機物經過水解和發酵，轉化為簡單的有機物，為后續的好氧生物處理準備易于氧化分解的有機基質。因而，它僅是一種生物預處理工序，或者是厭氧—好氧聯合生化處理系統中的前期處理工序。
水解酸化過程中廢水的COD或BOD值的變化可能有三種情況：（1）降低了，但最大不超過20～30%；（2）基本上為降低，如葡萄糖轉化為丙酸、乙酸和甲酸的發酵；（3）個別情況下會略有升高，如將難化學氧化物轉化為易化學氧化物時。
由于基質的多樣性和復雜性，致使參與厭氧消化的細菌種群比較復雜，有機和無機基質的轉化關系也較為多樣化，除了上述主要厭氧細菌種群及其參與的降解過程外，還包括硫酸鹽還原菌（SRB）和硝酸鹽還原菌（NRB）對還原性有機物的氧化作用，生產HCO3-、乙醇、H2S和NH3；以及SRB和NRB對乙醇的氧化作用，生產HCO3-等。
甲烷化處理是一種完全的或徹底的有機厭氧降解過程，全部經歷厭氧生物處理的三個階段，以氣態的甲烷和二氧化碳為最終降解產物。甲烷發酵具有以下兩個特點：（1）有機物一旦轉化為氣態產物后，廢水中構成COD和BOD的化學物質（主要為有機碳）即以CH4和CO2的形式逸出。因此，它是一種降低COD和BOD的方法。（2）由于有機物的最終轉化產物中含有大量高熱值的CH4氣體，因此它也是一種能產能或回收生物能的處理方法。
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