本发明提出一种厌氧反应系统，其中包括壳体、设置在所述壳体内的厌氧反应腔体和与所述厌氧反应腔体连通的沉淀分离腔体；所述厌氧反应腔体包括下部的污泥床反应区和上部的气液分离区；所述壳体连接有通入所述污泥床反应区的进水管；所述沉淀分离腔体包括下部连通的第一沉淀分离区和第二沉淀分离区；所述第一沉淀分离区液面上方设有负压空间，所述负压空间内设置有喷淋结构；所述第二沉淀分离区液面与外界大气连通，所述第二沉淀分离区上部设置有溢流堰，所述溢流堰连通有出水管；所述气液分离区与所述负压空间通过所述喷淋结构连通。本发明旨在先分离气体再进行固液分离，进而提升三相分离后的出水水质。