理论研究认为三个阶段，即厌氧消化过程分为水解发酵阶段、产乙酸产氢阶段、产甲烷阶段三部分。
水解发酵阶段和产乙酸产氢阶段又可合称为酸性发酵阶段。在这个阶段，污水中的复杂有机物，在酸性腐化菌或产酸菌的作用下，分解成简单的有机物，如有机酸，醇类等，以及CO2、NH3和H2S等无机物。由于有机酸的积累，污水的pH值下降到6以下。此后，由于有机酸和含氮化合物的分解，产生碳酸盐和氨等使酸性减退，pH值回升到6.6～6.8左右。
⑴水解酸化阶段。污水中复杂的大分子、不溶性的有机物在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，水解产生挥发性有机酸、醇类及醛类等。
⑵产氢产乙酸阶段。在产氢产酸菌的作用下，各种有机酸分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。
⑶产甲烷阶段。产甲烷菌将乙酸、氢及二氧化碳转化为甲烷。
厌氧消化工艺由普通厌氧消化法演变发展为厌氧接触法（厌氧活性污泥法）、生物滤池法、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧流化床、复合厌氧法等，其中普通消化池法、厌氧接触法等为代厌氧反应器，生物滤池法、UASB、厌氧流化床等为二代厌氧反应器，随着厌氧技术的发展，由UASB衍生的EGSB和IC（内循环）厌氧反应器为三代厌氧反应器。
