污泥厌氧消化系统由消化池、进排泥系统、加热系统、搅拌系统和集气系统五部分组成。
⑴消化池
消化池是污泥进行消化的场所，按其容积是否可变，分为定容式和动容式。定容式系指消化池的容积在运行中不变化，也称为固定盖式。这种消化池往往需附设可变容的湿式气柜，用以调节沼气产量的变化。动容式消化池的顶盖可上下移动，因而消化池的气相容积可随气量的变化而变化，这种消化池也称为移动盖式消化池，其后一般不需设置气柜。按照池体形状，可分为细高形、粗矮形以及卵形。
⑵进排泥系统
消化池的进泥于排泥形式有多种。包括上部进泥下部直接排泥、上部进泥下部溢流排泥、下部进泥上部溢流排泥等形式。从运行管理的角度看，普遍认为上部进泥下部溢流排泥方式为最佳。当采用下部直接排泥时，需要严格控制进排泥量平衡，稍有差别，便会引起工作液位的变化。如果排泥量大于进泥量，工作液位将下降，池内气相存在产生真空的危险；如果排泥量小于进泥量，则工作液位将上升，缩小气相的容积或污泥从溢流管流走。当采用下部进泥上部溢流排泥时，会降低消化效果。因为经充分消化的污泥，其颗粒密度增大，当停止搅拌时，会沉至下部，而未经充分消化的污泥会浮至上部被溢流排走。上部进泥下部溢流排泥能克服以上缺点，既不需控制排泥，也不会将未经充分消化的污泥排走。
⑶搅拌系统
消化池内需保持良好的混合搅拌。搅拌能使污泥颗粒与厌氧微生物均匀混合。使消化池各处的污泥浓度、pH、微生物种群等保持均匀一致，并及时将热量传递至池内各部位，使加热均匀且大大降低池底泥沙的沉积与池面浮渣的形成。在出现有机物冲击负荷或有毒物质进入时，均匀地搅拌混合可使其冲击或毒性降至最低。搅拌良好的消化池容积利用率可达到70%，而搅拌不合理的消化池的容积利用率会降到50%以下。
常用的混合搅拌方式一般有三大类：机械搅拌、水力循环搅拌和沼气搅拌。一般来说，细高形消化池适合用机械搅拌；粗矮形消化池适合用沼气搅拌，具体与搅拌设备的布置形式及设备本身的性能有关；但卵形消化池肯定用沼气搅拌最佳。
⑷加热系统
要使消化液保持在所要求的温度，就必须对消化池进行加热，加热方法分池内加热和池外加热两类。池内加热系热量直接通人消化池内，对污泥进行加热，有热水循环和蒸汽直接加热两种方法。前一种方法的缺点是热效率较低，循环热水管外层易结泥壳，使热传递效率进一步降低；后一种方法效率较高，但能使污泥的含水率升高，增大污泥量。两种方法一般均需保持良好的混合搅拌。池外加热系指将污泥在池外进行加热，有生污泥预热和循环加热两种方法。前者系将生污泥在预热池内首先加热到所要求的温度，再进入消化池；后者系将池内污泥抽出，加热至要求的温度后再打回池内。
⑸集气系统
集气系统包括气柜和管路。气柜常采用低压浮盖式湿式气柜，其储气容量一般为消化系统6～10h的产气量。沼气管路系统应设置压力控制及安全、取样、测湿、测压、除湿、脱硫、水封阻火、通气报警等装置。