厌氧生物处理是指在无氧情况下，利用兼氧性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对废水中的有机物进行生化降解过程。厌氧生物处理也称为厌氧消化。
        有机物厌氧消化过程是一个复杂的有多种微生物共同作用的生化过程。随着人们研究的深入，厌氧处理原理经历了从“两阶段”、“三阶段”到“四种群”的过程。
1、两阶段理论
        第一阶段，复杂的有机物，如糖类、脂类和蛋白质等，在产酸菌的作用下发生水解和酸化反应，被分解成低分子的中间产物，主要是一些低分子的有机酸和醇类、H2、CO2、NH4+、H2S等产生。因为该阶段中有大量的脂肪酸产生，使发酵池的pH降低，所以，此阶段被称为酸性发酵阶段或产酸阶段。
第二阶段，产甲烷菌将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4和CO2等。由于有机物不断被分解传给你CO4和CO2，同时系统中有NH4+的存在，使发酵液的pH不断提高。所以，此阶段被称为碱性发酵阶段或产甲烷阶段。
        在不同的厌氧消化阶段，随着有机物的降解，同时存在新细菌的生长。细菌生长与细胞的合成所需的能量由有机物分解过程中放出的能量提供。

2、三阶段理论
        随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程认识不断深化，厌氧理论得到不断发展。
第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类；蛋白质转化成较简单的氨基酸；脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。
       第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌将除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有CO2产生。
第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌将第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。

3、四种群理论
        四种群理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与，这四种群为：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌以及产甲烷菌。
        四种群理论认为：复杂有机物在第Ⅰ类种群水解发酵菌作用下被转化成有机酸和醇类。第Ⅱ类种群产氢产乙酸菌把有机酸和醇类转化为乙酸和H2/CO2、一碳化合物。第Ⅲ类种群同型产乙酸菌能利用H2和CO2和一碳化合物转化为CH4和CO2。
        与三阶段理论相比，四种群理论增加了同型产乙酸菌群，该菌群的代谢特点是能将H2/CO2合成为乙酸。