按照运行方式分类，可分为一级消化和两级消化。一级消化指污泥厌氧消化是在一个消化池内完成；两级消化指污泥厌氧消化在两个消化池内完成，第一级消化池设有加热、搅拌装置及气体收集装置，不排上清液和浮渣，第二级消化池不进行加热和搅拌，仅利用第一级的余热继续消化，同时排上清液和浮渣。

设置两级厌氧消化的目的是为了节省污泥加热和搅拌所需的能量。这是因为，一般认为中温消化前8d产生的沼气量约占全部产气量的80%，而中温消化的全周期需要20～30d，如果对已经产生大量沼气的污泥继续进行加热和搅拌，将使大部分能耗用于产出不到20%的沼气上。而如果将消化工艺设计成两级，对第一级消化进行加热、搅拌，同时收集沼气，然后将污泥送入第二级，第二级消化池不设加热和搅拌，仅依靠余热继续消化，并最终使污泥达到厌氧消化稳定的要求，同时第二级消化还起到污泥脱水前的浓缩和调节作用。

尽管两级消化有上述优点，但两级消化工艺的土建费用较高，运行操作比一级消化复杂，在有机物的分解率方面略有提高，产气率比一级消化约高10%，目前在国内及国外用的相对较少。国内在北京高碑店污水处理厂采用了两级厌氧消化工艺，运行近20年，目前运行良好。两级消化是在损失少量运行能力的前提下，节省了大量因加热和搅拌而产生的能耗，同时达到厌氧稳定的要求的一种工艺。