厭氧發酵罐是沼氣工程的核心設備，主要用來滿足微生物的生活條件，使它們在合適的環境中生活，以達到發酵旺盛，產氣量高的目的。微生物的繁殖、有機物的分解轉化、沼氣的生成都是在消化器里進行的，因此，消化器的結構和運行情況是一個沼氣工程設計的重點，要根據發酵原料或處理污水的性質以及發酵條件選擇適宜的工藝類型和消化器結構。
一般來說，廢水中復雜有機物物料比較多，通過厭氧分解分四個階段加以降解：
1.水解階段：高分子有機物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中典型的有機物質比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細胞壁進入到細胞的體內進行下一步的分解。
2.酸化階段：上述的小分子有機物進入到細胞體內轉化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外，這一階段的主要產物為揮發性脂肪酸（VFA），同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產物產生。
3.產乙酸階段：在此階段，上一步的產物進一步被轉化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細胞物質。
4.產甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉化成甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。這一階段也是整個厭氧過程重要的階段和整個厭氧反應過程的限速階段。
厭氧發酵條件：
溫度：厭氧處理工藝一般分為常溫（10~34℃）、中溫（35~40℃）、高溫（50~55℃）三種。由于中溫菌（特別是產甲烷菌）種類多，易于培養馴化、活性高，且中溫是相對較容易達到的條件，因此厭氧處理常采用中溫消化。
