Die vollständige Aufbereitung von Rohbiogas zu Biomethan umfasst meist vier Verfahrensschritte: Die Biogasentschwefelung, die Gastrocknung, die Trennung von Methan und Kohlendioxid und vor einer Einspeisung in das Erdgasnetz die Konditionierung. Diese Schritte bauen häufig aufeinander auf, können aber teilweise auch kombiniert werden.

Bei geringen H₂S-Belastungen des Rohgases, wie sie insbesondere bei Vergärung von Energiepflanzen zu erwarten sind, genügt in der Regel eine Sulfidfällung zur groben Entfernung des Schwefelwasserstoffs. Bei Biogas aus proteinreichen Substraten oder bei Klärgas können deutlich höhere H₂S-Konzentrationen auftreten. In solchen Fällen oder auch bei hohen Gasvolumenströmen werden Biogaswäscher eingesetzt. Teilweise wird die Entschwefelung auch parallel zur Trennung der im Rohbiogas enthaltenen Gase durchgeführt. Anschließend findet häufig eine Feinentschwefelung statt, wobei das Gas durch mehrere in Serie geschaltete Aktivkohlefilter geleitet wird.

Zu den praxisüblichen Methoden der Entschwefelung von Biogas zählen:

• Reinigung nach der Gasproduktion durch Entschwefelungsfilter: Hier wird das Gas durch eisenhaltiges Filtermaterial (Raseneisenstein, Stahlwolle) geleitet. Das Filtermaterial muss bei Sättigung ausgetauscht oder durch Erhitzen regeneriert werden.
• Reinigung durch Zugabe von Luftsauerstoff (biologische Entschwefelung, Gasraumentschwefelung): Das H₂S wird von Bakterien, die auf Oberflächen im Gasraum wachsen, mit dem in den Gärraum zugegebenen Sauerstoff zu elementarem Schwefel und Wasser umgesetzt. Der Schwefel lagert sich ab und kann in der Anlage akkumulieren. Dieses Verfahren wird in der Praxis häufig eingesetzt und reicht meist aus, um für BHKWs empfohlene Maximalkonzentrationen an H₂S nicht zu überschreiten. Bei anschließender Aufbereitung zu Biomethan können jedoch Stickstoffanteile und Sauerstoffreste der zugegebenen Luft problematisch sein. Ein Vorteil der Methode ist, dass der Schwefel sich überwiegend im Gärrest findet und somit dessen Düngewert erhöht. Statt in den Gasraum kann Luft oder eines anderen Oxidationsmittel auch direkt in die Reaktorflüssigkeit gegeben werden (Linde-Patent).
• Laugenwäsche: Das Biogas wird in einer Füllkörper-Kolonne im Gegenstrom mit Lauge gewaschen. Die Lauge muss anschließend entsorgt werden. Diese Methode verringert neben dem Schwefelgehalt auch die CO₂-Konzentration im Biogas. Bei Laugenwäsche mit biologischer Entschwefelung (Paques-Patent) wird die Lauge in einem zweiten, aeroben Reaktor zur Hälfte regeneriert. Neben einem im Vergleich zur normalen Laugenwäsche reduziertem, schwefelfreiem Abwasserstrom entsteht ein Elementarschwefelschlamm.
• Zugabe von Eisenionen: Bei hohen Proteinanteilen im Ausgangssubtrat können die Schwefelwasserstoffkonzentrationen 20.000 ppm übersteigen. Hier ist jeder Filter überfordert. Die Zugabe von Eisenionen hilft, die Bildung von Schwefelwasserstoff im Faulbehälter zu verhindern. Eisen besitzt eine hohe Affinität zu Schwefel und verbindet sich mit diesem zu unlöslichem Eisensulfid (FeS). Das Eisensulfid verbleibt als Feststoff in der Gülle.
• Irreversible Adsorption an Aktivkohle: Die Aktivkohle als Filtermedium wird teilweise iodiert, um ihre Beladungsfähigkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren eignet sich nur bei sehr geringen H₂S-Konzentrationen, z.B. als Endreinigung.
• Rückführung von teilweise entschwefeltem Biogas in die Reaktorflüssigkeit: Dieses Verfahren verbessert das Austreiben des noch in der Flüssigkeit gelösten H₂S.

Bei der Trocknung wird dem Rohgas Wasserdampf entzogen. Es muss aus dem Biogas vor dessen Verwertung entfernt werden, damit Erdgasqualitäten eingehalten werden. Auch vor der Verwendung in Biogas-Blockheizkraftwerken wird das Brenngas getrocknet. So kann die Bildung von Wassertaschen durch Kondensation (Niederschlag) und Korrosion an Verbrennungsmotoren und Leitungseinrichtungen vermieden werden.

Biogas wird durch die Kühlung des Gases im Erdreich oder durch Kompressorkälte entfeuchtet. Die Unterschreitung der Taupunkttemperatur des Wasserdampfes lässt das Wasser kondensieren. Das Kondensat wird an Tiefpunkten der meist erdverlegten Biogasleitung gesammelt und abgeleitet. Bei einer Kühlung durch Kältemaschinen fällt das Wasser (Kondensat) an den Kälteregistern an und kann dort gesammelt und abgeleitet werden. Da Ammoniak gut wasserlöslich ist, kann es bei der Trocknung aus dem Gas entfernt und mit dem Kondensat abgeführt werden.

Zur Trennung von Kohlendioxid und Methan bieten sich als wettbewerbsfähige Verfahren je nach Standortbedingungen an: Druckwasserwäsche, kryogene Verfahren, Membrantrennverfahren, aber auch Druckwechseladsorption und weitere Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid durch Absorption (wie die Aminwäschen), zudem ist auch eine biologische Trennung von Schwefel durch Biowäscher oder Biotropfkörper. Beispielsweise führen Aminwäschen zu einer sehr hohen Produktgasqualität, erfordern aber den Einsatz von Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau. Bei den meisten Verfahren muss das Rohgas bereits grob von Schwebstoffen, Wassertropfen und Schwefelwasserstoff befreit sein.

Die Druckgaswäsche trennt das Methan vom Kohlendioxid und konzentriert das Methan nach Bedarf auf 95-99 Vol% auf. Danach wird es auf den Taupunkt bei dem jeweiligen Anwendungsdruck getrocknet.

Bei der Konditionierung wird das aufbereitete Biogas vor der Einleitung in das Gasnetz auf die die Qualitätsparameter für Erdgas in Bezug auf Trockenheit, Druck und Brennwert Wobbeindex eingestellt. Die Qualität und Beschaffenheit des einzuspeisenden Methans hat die Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) geregelt. Da es in Deutschland Gasnetze für Erdgas verschiedener Qualitäten gibt (H-Gas und L-Gas), können die Qualitätsansprüche an das Biomethan unterschiedlich sein. Zur Konditionierung zählt auch die Odorierung.

Wegen der erforderlichen Investititonen gilt die Biogasaufbereitung derzeit ab einer Kapazität von etwa 250 bis 500 m Biomethan pro Stunde als wirtschaftlich sinnvoll. Dies entspräche einer Anlagenkapazität von etwa 1 bis 2 Megawatt elektrischer Leistung (MW_el) bei direkter Biogasverstromung im BHKW. In Deutschland sind Mitte 2009 19 Anlagen zur Biomethanerzeugung mit Kapazitäten zwischen 148 m und 5000 m pro Stunde in Betrieb, zum Jahresende wird erwartret, dass 35 Anlagen ca. 23.900 Kubikmetern Biomethan stündlich in das Netz einspeisen. Erklärtes Ziel der Bundesregierung ist es, dass in Deutschland im Jahr 2020 etwa 60 Milliarden Kilowattstunden Biomethan pro Jahr erzeugt werden. Dies entspricht der Kapazität von rund 1200 bis 1800 Biomethananlagen.

Als erste Kläranlage der Schweiz speist seit Januar 2005 die ARA Region Luzern ihr nach Erdgasparametern aufbereitetes Klärgas als Biokraftstoff in das Erdgasnetz ein. In der Schweiz werden weitere große Anlagen zur Biogasaufbereitungsanlagen in der Region Bern gebaut. Auch in Schweden wird die Aufbereitung und Einspeisung schon durchgeführt.