废水厌氧生物处理是指在无氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程。
而在厌氧生化处理过程中，高分子有机物的厌氧降解过程可以被分为四个阶段：
水解阶段
高分子有机物相对分子量巨大，不能透过细胞膜，不能为细菌直接利用，因此它们在一阶段被细菌胞外酶分解为小分子。
例如：纤维素被纤维素水解酶水解为纤维素二糖与葡萄糖，淀粉被水解为淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白质酶水解为多肽与氨基酸等。这些小分子的产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。
发酵（或酸化）阶段
在这一阶段，上述小分子的化合物在发酵细菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。
这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。
乙酸阶段
在此阶段，上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。
产甲烷阶段
这一阶段里，乙酸，氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。
利用前面的水解酸化阶段可以使废水中有机大分子物质被细胞外酶分解为小分子，这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用，可改善废水的可生化性。
