Η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων χρησιμοποιεί βιολογικούς παράγοντες σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο για την απομάκρυνση των ακαθαρσιών από τα λύματα. Αφού υποβληθεί σε μια τέτοια επεξεργασία, το νερό μπορεί να απελευθερωθεί με ασφάλεια πίσω στο περιβάλλον. Οι βιολογικοί παράγοντες που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία είναι μικροοργανισμοί που καταναλώνουν ή διασπούν βιοαποδομήσιμα υλικά στη λάσπη ή το στερεό τμήμα των λυμάτων μετά τη διήθησή τους από μολυσμένο νερό.
Η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων είναι επίσης γνωστή ως αναερόβια χώνευση λόγω της δράσης των μικροοργανισμών. Δηλαδή ουσιαστικά «χωνεύουν» τα μολυσμένα μέρη του νερού. Ένας εξαιρετικός τρόπος για να μειώσετε την ποσότητα της οργανικής ύλης που υπολείπεται σε πράγματα όπως τα λύματα και τα υπολείμματα τροφίμων, η αναερόβια χώνευση είναι συνήθως ένα συστατικό οποιουδήποτε συστήματος βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων.
Συνήθως, η αναερόβια διαδικασία λαμβάνει χώρα σε σφραγισμένες δεξαμενές, που βρίσκονται είτε πάνω είτε κάτω από το έδαφος. Κατά τα αρχικά στάδια της διάσπασης της λάσπης, οι μικροοργανισμοί, που είναι κυρίως βακτήρια, μετατρέπουν τα απόβλητα σε οργανικά οξέα, αμμωνία, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Στα τελικά στάδια της αναερόβιας επεξεργασίας των λυμάτων, τα υπολείμματα της λάσπης μετατρέπονται, από έναν μονοκύτταρο μικροοργανισμό γνωστό ως μεθανογόνο, σε βιοαέριο που αποτελείται από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα.
Ένα επιπλέον πλεονέκτημα της αναερόβιας επεξεργασίας λυμάτων είναι η μείωση των εκπομπών αερίων. Το βιοαέριο που προκύπτει από την αναερόβια επεξεργασία λυμάτων μπορεί στην πραγματικότητα να αξιοποιηθεί και να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική πηγή ενέργειας για μαγείρεμα, φωτισμό, θέρμανση και καύσιμο κινητήρα. Με άλλα λόγια, δεσμεύοντας και αξιοποιώντας το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα που παράγονται από την αναερόβια χώνευση, το βιοαέριο δεν απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.
Πολλοί στην επιστημονική κοινότητα πιστεύουν ότι οι υψηλές συγκεντρώσεις μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα, γνωστά και ως αέρια του θερμοκηπίου, στην ατμόσφαιρα της Γης, συμβάλλουν στη διαδικασία της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Αυτή η θεωρία, γνωστή ως φαινόμενο του θερμοκηπίου, υποστηρίζει ότι αυτά τα αέρια παγιδεύουν τη θερμότητα από τον ήλιο στην ατμόσφαιρα, αυξάνοντας έτσι την παγκόσμια θερμοκρασία. Ενώ η θεωρία έχει οδηγήσει σε κάποια διαμάχη, η χρήση βιοαερίου ως εναλλακτική λύση στα ορυκτά καύσιμα έχει κάποιες πρακτικές εφαρμογές.
Στις αναπτυσσόμενες χώρες, είναι διαθέσιμα προγράμματα που χρηματοδοτούνται από την κυβέρνηση για να βοηθήσουν στην τροφοδοσία μονοκατοικιών και αγροκτημάτων με το βιοαέριο που παράγεται από την επιτόπια αναερόβια χώνευση. Τα Ηνωμένα Έθνη προσφέρουν επίσης χρηματοδότηση σε προγράμματα αναερόβιας χώνευσης στον αναπτυσσόμενο κόσμο, υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχουν διαθέσιμα στοιχεία για τις μειωμένες εκπομπές αερίων.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων είναι συνήθως μέρος μιας μονάδας επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Ωστόσο, η αναερόβια χώνευση χρησιμοποιείται επίσης από μονοκατοικίες σε περιοχές που δεν συνδέονται με δημοτικό σύστημα και από επιχειρήσεις με εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων.