汙泥的厭氧消化法分為兩個階段：酸性階段和堿性階段。第一階段，微生物將複雜的有機物（如蛋白質、脂肪和碳水化合物）分解成為有機酸、醇類、二氧化碳、氨、硫化氫及其他一些硫、磷化合物等。此階段中，由於有機酸的大量累積，pH值迅速下降到7以下，汙泥呈酸性，故稱為酸性消化階段。參與的細菌稱為產酸菌。汙泥經酸性消化後，呈粘滯狀態，仍不易脫水，總體積縮小不多，並有惡臭。在這個階段後期，由於所產生的氨的中和作用，pH值又逐漸上升，致使另一些統稱為甲烷菌的微生物開始活躍起來，分解有機酸和醇類，產生甲烷和二氧化碳，開始了第二個消化階段。隨著甲烷菌的迅速繁殖，有機酸因被分解而迅速減少，pH值很快上升到7以上，汙泥變為堿性，稱為堿性消化階段。消化後的汙泥稱消化汙泥或熟汙泥。熟汙泥體積顯著縮小，呈黑色粒狀結構，易脫水，性質穩定，衛生狀況有了改善，可作農田肥料。消化過程中產生的沼氣，可收集起來作為能源。
影響汙泥厭氧消化的主要因素有：
（1）溫度：溫度不僅影響厭氧消化的速度，而且影響厭氧消化的深度。厭氧消化過程一般可按溫度分為三種類型。溫度為5℃～15℃，稱低溫消化；溫度為30℃～35℃，稱中溫消化；溫度為50℃～55℃，稱高溫消化。溫度與消化時間的關係表示溫度與消化時間的關係。由可見，溫度的高低決定消化進程的快慢。溫度對沼氣產量也有影響。在一定的溫度範圍內，產氣量隨溫度的升高而增加；但當溫度升到某一定值時，產氣量就下降了。實踐證明，高溫消化的產氣量隻略高於中溫消化。高溫消化幾乎可以殺死汙泥中的全部病原菌和寄生蟲卵，而中溫消化隻能殺死其中的一部分。低溫消化效率太低，但高溫消化操作管理複雜，加熱費用高，所以一般都采用中溫消化。
（2）投配率：即每天投入消化池內的生汙泥量占池內原有熟汙泥量的百分率。投配率的大小直接影響池內汙泥的pH值和消化速度。投配率小，汙泥消化速度快而充分，產氣量高，消化經常維持在堿性階段，但要加大消化池體積。投配率大，則使消化速度減慢，造成中間產物有機酸的累積，pH值的下降。這種狀況有可能抑製甲烷細菌的生長，使消化經常處於酸性階段，破壞正常的消化過程。最適合甲烷細菌生長的pH值為7.2～7.6，因此，一般消化池都控製在偏堿性條件下運行。如發生異常情況，pH值下降到6.6以下時，可投加堿性化合物，如石灰，調整汙泥的pH值，以恢複正常運行。實踐證明，生活汙水和水質相近的工業廢水的汙泥，投配率一般以6％～12％為宜。
（3）生熟汙泥的混和程度：投入的生汙泥與池內熟汙泥的充分混和，造成全池各部分的物料和消化條件（如溫度、pH值等）均勻一致，既可保證消化池經常處於偏堿性條件，又可縮短培養微生物的時間，加速消化過程，提高沼氣產量。
（4）厭氧條件：甲烷菌屬厭氧性微生物，因此要求消化池密封，隔絕空氣，保證厭氧菌的正常活動和消化池的安全運行。
此外，汙泥的組成、汙泥含水率和有毒物質濃度對消化過程也有影響。
汙泥經消化後性質比較穩定，不易再腐化，一般經脫水後直接作為農肥，或作他用，或焚燒作最終處理。
汙泥厭氧消化的構築物可用化糞池、雙層沉澱池或消化池，一般用消化池。消化池多為圓形，直徑一般為6～35米，池壁高5～15米，池底為圓錐形，底坡25％左右。池蓋有固定式和浮動式兩種。池蓋上設有檢修口、集氣管等裝置。浮動池蓋可隨汙泥麵升降，保證池內壓強高於大氣壓，防止空氣侵入池內形成可爆混和氣體而引起消化池爆炸。消化池還裝有各種管道。
生汙泥的溫度一般都比較低，要維持中溫消化所需的溫度，通常采用人工加熱措施。加熱方法有蒸汽加熱、盤管加熱和熱水加熱等。目前多采用蒸汽加熱，即把低壓蒸汽（溫度為110℃～120℃，壓強為20牛／厘米2）直接噴入池內，加熱攪拌汙泥。池內盤管加熱易在盤管外壁形成泥垢，如不及時清除，會降低導熱性能，影響加熱效果。為此，可在池外用熱交換器加熱汙泥。熱水加熱效率低，一般隻用於小型消化池。
為了使生熟汙泥充分混和，在消化池內裝有攪拌設備。攪拌方法分機械攪拌法、循環汙泥法和循環沼氣法三種。機械攪拌一般用螺旋攪拌設備，效率高，但檢修困難。循環汙泥法簡單可靠，但效率低。沼氣循環法是近年來采用的新方法，效率高，並可促進甲烷菌的生長，加速消化過程。這種方法是將消化池產生的部分沼氣經壓縮機加壓後，從池底部的擴散裝置噴入池中攪動汙泥。