廢水厭氧生物處理是指在無分子氧的條件下透過厭氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中各種複雜有機物分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質的過程。在厭氧生物處理的過程中，複雜的有機化合物被分解，轉化為簡單、穩定的化合物，同時釋放能量。其中，大部分的能量以甲烷的形式出現，這是一種可燃氣體，可回收利用。同時僅少量有機物被轉化而合成為新的細胞組成部分，故相對好氧法來講，厭氧法汙泥增長率小得多。好氧法因為供氧限制一般只適用於中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法及適用於高濃度有機廢水，又適用於中、低濃度有機廢水。同時厭氧法可降解某些好氧法難以降解的有機物，如固體有機物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。

在厭氧處理過程中，廢水中的有機物經大量微生物的共同作用，被最終轉化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨等。在此過程中，不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成了複雜的生態系統。對高分子有機物的厭氧過程的敘述，有助於我們瞭解這一過程的基本內容。

高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段：水解階段、發酵(或酸化)階段、產乙酸階段和產甲烷階段。