水解是复杂的非溶性的聚合物转化成简单的溶解性的单体或二聚体的过程。高分子有机物分子量巨大，无法透过细胞膜，它们需要在细胞外酶的水解作用下转变为小分子之后，才能被细菌直接利用。例如纤维素在纤维素酶的水解作用下生成纤维二糖和葡萄糖，蛋白质在蛋白酶的作用下生成短肽和氨基酸，淀粉在淀粉酶的作用下生成麦芽糖和葡萄糖等。这些有机物小分子的水解产物能够溶解于水，并能够在透过细胞膜之后被细菌直接利用。当有机污染物
进入 水体环境时，首先发生的重要反应就是水解，其反应过程往往较缓慢，因此这个阶段被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。
水解反应发生后，有机物本身的许多性质都会改变，如极性、溶解度等。而水解速度的快慢、水解程度的大小会受很多因素的影响，如水解温度、pH值、有机质成分(如木素、蛋白质与脂肪的质量分数、碳水化合物等 )、有机质颗粒的大小、氨的浓度、停留时间及水解产物的浓度等。此外，厌氧微生物还可利用胞外酶进行催化水解反应，而决定水解反应能否进行的关键就在于胞外酶能否与反应的底物直接接触。而对于来自植物中的物料，纤维素和半纤维素被木素包裹的程度决定着生物降解性的大小。原因在于，纤维素和半纤维素是在生物降解性能的，而木素却没有此性能，当纤维素和半纤维素被木素包裹时，酶与纤维素和半纤维素无法接触，也就不能充分发挥它们的降解性能，致使降解缓慢。
通常水解反应过程可用以下反应式表示：
R-X+H2O->R-OH+X-+H+
上式中R为有机物分子的主体碳链，而X则表示分子中的极性基团。水解反应用动力学方程表示:
dC/dt=kC
式中，C为可降解的非溶解性底物浓度，g/L;k为水解常数，d-1。
此式也是水解速度的表示方程。而水解常数与影响水解速度的因素的关系复杂，还有许多未曾知道的东西存在，因而无法将它们的关系直接表示，只能知道某种有机物在特定条件下的反应速率。Rourke的研究表明在低温下脂肪是极难水解的，他还证明蛋白质的实际水解常数非常低。
另外，对于间歇反应器和连续搅拌槽反应器，水解过程有所不同，将上式积分可得:间歇反应器:
C=Coe-kCi
式中，Co为非溶解性底物的初始浓度，g/L。连续搅拌槽反应器:
C=Co/(1-kT)
人们通过连续搅拌槽反应器对活性污泥的厌氧消化进行了研究，他们得出蛋白质的水解过程在污泥消化过程中为限速阶段。微生物是活性污泥的主要构成部分，在污泥消化过程中，活性污泥中的细胞的死亡和自溶比水解过程更快，并在污泥消化中起到重要作用。由此看来，将能使细胞壁水解的酶类加入反应器内不但能促进消化过程，还可以增加产气量，这应当是符合逻辑的结果。
