构成沼气发电系统的主要设备有沼气发电机组、发电机和热回收装置。沼气经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。沼气发电机组排出的冷却水和废气中的热量通过热回收装置进行回收后，作为沼气发生器的加温热源。
从废水处理厂出来的污泥进入一次消化槽和二次消化槽，在消化槽中产生的沼气首先经脱硫器进入球形贮气罐，然后由此输送入沼气发电装置中。作为发电机组燃料的沼气中甲烷的含量必须高于50%，不必要进行二氧化碳的脱除，因为少量二氧化碳对发电机组有利，使其工作平稳，减少废气中有毒物的含量。从发电装置出来的废沼气进入热交换器中，将热量释放出来，用来加热进行厌氧发酵的污泥，从而提高沼气的发生率。
在我国，有全部使用沼气的单燃料沼气发电机组及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发电机组。下表为两种发电机组的性能比较。
单燃料沼气发电机组工作原理及优点：
将“空气沼气”的混合物在气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。 ① 不需要辅助燃料油及其供给设备 ② 燃料为一个系统，在控制方面比可烧两种燃料的发电机组简单 ③ 发电机组价格较低
双燃料沼气-柴油发电机组工作原理及优点：
将“空气燃烧气体”的混合物在气缸内压缩，用点火燃料使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。 ① 用液体燃料或气体燃料都可工作 ② 对沼气的产量和甲烷浓度的变化能够适应 ③ 如由用气体燃料转为用柴油燃料在停止工作，发电机组内不残留未燃烧的气体，因为饿耐腐蚀性好两种沼气发电机组缺点:工作受到供给的沼气的数量和质量的影响 ① 用气体燃料工作时也需要液体辅助燃料 ② 需要液体燃料供给设备 ③ 控制机构稍复杂 ④ 借个较单燃料式发电机组稍高
