按照運行方式分類，可分為一級消化和兩級消化。一級消化指污泥厭氧消化是在一個消化池內完成；兩級消化指污泥厭氧消化在兩個消化池內完成，第一級消化池設有加熱、攪拌裝置及氣體收集裝置，不排上清液和浮渣，第二級消化池不進行加熱和攪拌，僅利用第一級的余熱繼續消化，同時排上清液和浮渣。

設置兩級厭氧消化的目的是為了節省污泥加熱和攪拌所需的能量。這是因為，一般認為中溫消化前8d產生的沼氣量約占全部產氣量的80%，而中溫消化的全周期需要20～30d，如果對已經產生大量沼氣的污泥繼續進行加熱和攪拌，將使大部分能耗用于產出不到20%的沼氣上。而如果將消化工藝設計成兩級，對第一級消化進行加熱、攪拌，同時收集沼氣，然后將污泥送入第二級，第二級消化池不設加熱和攪拌，僅依靠余熱繼續消化，并最終使污泥達到厭氧消化穩定的要求，同時第二級消化還起到污泥脫水前的濃縮和調節作用。

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盡管兩級消化有上述優點，但兩級消化工藝的土建費用較高，運行操作比一級消化復雜，在有機物的分解率方面略有提高，產氣率比一級消化約高10%，目前在國內及國外用的相對較少。國內在北京高碑店污水處理廠采用了兩級厭氧消化工藝，運行近20年，目前運行良好。兩級消化是在損失少量運行能力的前提下，節省了大量因加熱和攪拌而產生的能耗，同時達到厭氧穩定的要求的一種工藝。