污泥厌氧消化是一个及其复杂的过程，多年以来厌氧消化被概括为两个阶段过程，第一阶段是酸性发酵阶段，有机物在产酸细菌的作用下，分解成脂肪酸及其他产物，并合成新细胞；第二阶段是甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌——产甲烷菌的作用下转化成CH₄和CO₂。但是，事实上第一阶段的最终产物不仅仅是酸，发酵所产生的气也并不都是从第二阶段产生的。目前较为公认的理论模式是厌氧消化三阶段理论。三阶段理论突出了产氢产乙酸细菌的作用，并把其独立地划分为一个阶段。三阶段消化的第一阶段，是在水解与发酵细菌作用下，是碳水化合物，蛋白质和脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段是通过两组生理上不同的产甲烷菌作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。