Generalmente las lagunas anaerobias son abiertas a la atmósfera, pero pueden también estar cubiertas para recoger el metano producido o para controlar la emisión de olores. Aunque existe una transferencia atmosférica de oxígeno en la capa superior de una laguna anaerobia abierta la laguna recibe cargas orgánicas altas que hacen que su contenido sea mayoritariamente anaerobio y sin crecimiento de algas que produzcan oxígeno. Los gases producidos en la descomposición anaerobia tienen una acción mínima de mezcla: La laguna anaerobia permite, por lo tanto, obtener la sedimentación de los sólidos sedimentable del afluente y la acumulación de material flotante. Tanto el lodo asentado como el material flotante proveen área superficial para el crecimiento microbiano, con el incremento obvio de la edad de lodos sobre el tiempo de retención hidráulica.

Las lagunas anaerobias se construyen de acuerdo con una de las dos concepciones básicas siguientes:

1. Lagunas de gran tamaño, poca profundidad y tiempos de residencia del agua residual medios. Esta morfología suele ser la habitual en Australia.
2. Lagunas pequeñas, pero de mayor profundidad y tiempos cortos de residencia. Este diseño es el habitual , especialmente como primera fase de la depuración por lagunaje o por algún otro método de tratamiento.

Los factores que hay que tener en cuenta al proyectar una laguna anaerobia son fundamentalmente los aspectos de conservación del calor, sedimentación de materia en suspensión y almacenamiento de fangos. Considerando los mecanismos responsables de la degradación anaerobia y las variables ambientales que influyen sobre ellos, la morfología más apropiada es la descrita en el punto 2. Este diseño, al tener menor superficie y mayor profundidad permite una mayor estabilidad térmica, pues la superficie expuesta a intercambios de calor con la atmósfera es muy reducida y si se construyen con taludes de tierra laterales, estos proporcionan un adecuado sistema de aislamiento para prevenir el enfriamiento excesivo del agua durante el invierno. De hecho, en lagunas anaerobias que operan en España, se han registrado temperaturas medias del agua a la salida de estas lagunas tan solo 1-2 °C por debajo del agua residual entrante durante los meses de invierno. Además, este tipo de diseño restringe la oxigenación en superficie a la vez que favorece la concentración de los fangos en el fondo, evitando, en gran medida la flotación de los fangos. En lagunas profundas (profundidad superior a 2,5 m.) el fango se acumula en el fondo, donde se produce su mineralización en condiciones anaerobias. ^[2]​

La descomposición bacterial de la materia orgánica en una laguna anaerobia se puede representar por la reacción clásica de Chongrak Polprasert:

${\displaystyle {\ce {{Materia Orgánica}+ {Bacterias Anaerobias}-> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S}}}$ 

En la laguna anaerobia, como en los digestores anaerobios de lodos, probablemente dominan las bacterias anaerobias estrictas y facultativas como las Bacteroides, Bafidobacterium, Clostridium, Lactobacillus, Streptococus. La actividad sinergética de los diferentes grupos de bacterias involucradas en la digestión anaerobia de la materia orgánica se puede representar en la figura 1.

Los microorganismos causantes de la descomposición de la materia orgánica suelen llevar a cabo el proceso de estabilización en dos fases.^[3]​ Una primera fase, en la que se hidroliza y fermenta la materia orgánica de mayor complejidad convirtiéndola en ácidos orgánicos de cadena corta mientras que en una segunda fase, otros microorganismos convierten los ácidos orgánicos de la fase anterior en moléculas sencillas como gas metano y dióxido de carbono.

La fase de hidrólisis de las moléculas orgánicas complejas es un proceso lento realizado mediante enzimas extracelulares y puede ser un factor limitante del proceso de estabilización. Estas bacterias fermentativas denominadas acidogénicas (formadoras de ácidos) son las responsables de producir ácidos orgánicos (acético, propiónico, butírico, fórmico, láctico), alcoholes y cetonas) y no son estrictamente anaerobias, puduendo actuar como bacterias facultativas. Las bacterias acetogénicas como la sytrobacter wolinii y la sytrophomonas wolfei producen acetato, H₂, y CO₂, que sirven como sustrato para las bacterias metanogénicas (formadoras de metano), que sí son estrictamente anaerobias.^[1]​

Las bacterias acetogénicas requieren un presión parcial de hidrógeno baja para que haya una buena producción de acetato y de metano. Si la presión parcial de H₂ es alta, la conversión a acetato es baja y la descomposición se inclina hacia la formación de ácido propiónico (CH₃CH₂COOH), ácido butírico (CH₃CH₂CH₂COOH) y etanol, reduciendo la producción de metano. La conversión de etanol, ácido propiónico y ácido butírico por las bacterias acetogénicas se representa en las siguientes reacciones:

${\displaystyle {\ce {CH3-CH2OH + O2 -> CH3-COOH + H2O}}}$ 

${\displaystyle {\ce {CH3-CH2-COOH + 2H2O -> CH3-COOH + CO2 + 3H2}}}$ 

${\displaystyle {\ce {CH3-CH2-CH2-COOH + 2H2O -> 2CH3COOH + 2H2}}}$ 

Las bacterias acetogénicas crecen mucho más rápido que las metanogénicas, aproximadamente 25 veces más rápido. Las metanogénicas se desarrollan lentamente en aguas residuales, su tiempo de generación oscila entre 3 días a 35 °C y hasta 50 días a 10 °C. Las metanógenas hidrogenotrópicas convierten hidrógeno (H₂) y dióxido de carbono (CO₂) en metano, ayudando a mantener una presión parcial de H₂ baja: las metanógenas acetotróficas o acetoclásticas convierten acetato en metano y dióxido de carbono.

${\displaystyle {\ce {CH2-COOH -> CH4 + CO2}}}$ 

Además de las bacterias que transforman y estabilizan la materia orgánica hidrocarbonada, existen otros muchos grupos de bacterias facultativas y anaerobias capaces de trasformar la materia orgánica con diferentes heteroátomos, como el azufre o el nitrógeno presentes en la materia de origen proteico. También, en condiciones anaerobias, existen bacterias como el desulfovibrio que son capaces de reducir los iones SO₄^2- a iones S^2- o H₂S. La producción anaerobia de H₂S puede promover el crecimiento de las bacterias púrpuras del azufre (Chromatium, Thiocapsa, Thiopedia) e introducir color rojo o rosado en el agua. Otras bacterias, denominadas desnitrificantes, reducen el nitrato, NO₃^- a nitrógeno gaseoso, N₂.

Las lagunas tienen requerimientos operacionales y de mantenimiento mínimos que, sin embargo, deben revisarse y cumplirse periódicamente, por el operador, con el objetivo de eliminar los problemas que frecuentemente se presentan en este tipo de plantas. Con el fin de mantener el sistema de tratamiento anaerobio en correcto funcionamiento, los microorganismos formadores de ácidos y los formadores de metano deben hallarse en un estado de equilibrio dinámico, evitando que proliferen unos en detrimento de los otros. Para ello, el reactor o la laguna deberá mantenerse a un pH entre 6,6 y 7,6, ya que las bacterias formadoras de metano se inhiben a pH ligeramente ácido, dejando de actuar cuando el pH desciende de 6,2. Igualmente, para mantener la actividad de las bacterias, la temperatura no puede ser muy baja. Muchas de las bacterias implicadas en la estabilización anaerobia son de tipo mesófilo, por lo que se muestran activas a temperaturas próximas a los 30 °C. También pueden intervenir bacterias termófilas, con temperaturas de actividad próximas a los 50 °C.^[4]​

• Romero Rojas, Jairo A. Lagunas de estabilización de aguas residuales. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. 1994 ISBN 958 8060 50 8

•   Wikilibros alberga un libro o manual sobre Ingeniería de aguas residuales.
•   Wikilibros alberga un libro o manual sobre Impactos ambientales/Tratamiento de aguas servidas y lodo.
• Caso práctico de diseño de planta de aguas residuales Archivado el 24 de julio de 2014 en Wayback Machine.
• Introducción al tratamiento de aguas residuales Archivado el 26 de julio de 2014 en Wayback Machine.