Beztlenowe oczyszczanie ścieków prowadzi do produkcji metanu i niewielkiej ilości osadu nadmiernego. Tlenowa przeróbka stężonych ścieków przemysłowych jest kosztowna i nieskuteczna. Od kilkunastu lat stosuje sie z powodzeniem beztlenową stabilizację ścieków z produkcją metanu. Proces jest podobny do tego, który zachodzi w warunkach beztlenowych, w reaktorze o pełnym wymieszaniu. W wyniku fermentacji otrzymuje się stabilizację związków organicznych, a głównym produktem końcowym jest gaz metan, który może być wykorzystywany energetycznie. Oprócz metanu otrzymuje się produkty rozkładu, które wymagają dalszej stabilizacji - siarkowodór czy amoniak. Produkcja biomasy w procesach beztlenowego rozkładu jest znacznie niższa niż w procesach tlenowych, ponieważ waha się w przedziale 10 - 15% dopływającego ładunku BZT5. Dla porównania, w systemach tlenowych produkcja biomasy może wynosić 50 - 80% dopływającego ładunku.

Produkt fermentacji - gaz metan może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Rysunek przedstawia zbiornik biogazu w oczyszczalni ścieków w Tarnobrzegu:

W procesie fermentacji beztlenowej ścieki zawierające materiał organiczny są przetwarzane biologicznie przez mikroorganizmy do produktów końcowych, głównie metanu i dwutlenku węgla. Oczyszczanie zachodzi w szczelnym, nieprzepuszczającym powietrza reaktorze o pełnym wymieszaniu. Ścieki doprowadzane ciągle lub porcjowo przebywają w komorze przez odpowiedni czas. Oczyszczona, pozbawiona związków organicznych i organizmów chorobotwórczych mieszanina ścieków i osadu odprowadzana jest również w sposób ciągły lub porcjowy do osadnika wtórnego. Beztlenowy osad zatrzymany w osadniku jest zawracany z powrotem do komory i jest mieszany z surowymi ściekami. Ponieważ przyrost organizmów beztlenowych jest niewielki, objętość osadu nadmiernego jest minimalna. Zaletą beztlenowego oczyszczania ścieków jest więc niskie zużycie energii (nie trzeba energii na napowietrzanie), wytwarzanie metanu i niski przyrost osadu. Usunięcie Chzt w procesie sięga 75 - 85%.

Biologiczny proces rozkładu związków organicznych przebiega w trzech fazach, które przepowadzane są przez bakterie beztlenowe oraz fakultatywne:

1. Przetworzenie złożonych związków organicznych na związki przyswajalne przez mikroorganizmy - hydroliza

2. Przetworzenie związków powstałych w fazie I na związki prostsze (faza kwaśna) przez bakterie kwasowe

3. Rozkład związków prostych do końcowych produktów, głównie metanu i dwutlenku węgla (faza metanowa) przez bakterie metanowe

Jeżeli ścieki są bardzo stężone, ilość energii uzyskanej z przetwarzania prze bakterie materii organicznej jest większa od energii koniecznej do podgrzania zawartości reaktora do wymaganej temperatury (często do 33 - 35 stopni C). Teoretyczna ilość produkowanego metanu wynosi 0,35 m3/kg ChZt usuwanego. Konieczność przeprowadzania procesu w temperaturach wyższych niż naturalne należy do wad systemu, chociaż właściwie zaprojektowany i poprawnie włączony do eksploatacji reaktor beztlenowy może pracować w temperaturach niższych (10 - 30 stopni C). Wadą w porównaniu z procesem tlenowym osadu czynnego, zwłaszcza w fazie rozruchu reaktora,jest też wolny przyrost bakterii metanowych i długi czas przetrzymania ścieków w komorze. Natomiast ilość powstającego osadu nadmiernego jest znikoma, co ma szczególne znaczenie w przypadku problemów ze znalezieniem miejsca na jego składowanie.