传统活性污泥法是应用最早的工艺，它去除有机物的效率很高，近20年来，水体富营养化的危害越来越严重，去除氮、磷列入了污水处理的目标，于是出现了活性污泥法的改进型AO工艺和AAO工艺。AO工艺有两种，一种是用于除磷的厌氧—好氧工艺，一种是用于脱氮的缺氧—好氧工艺；AAO工艺则是既脱氮又除磷的工艺。 AAO工艺是全世界用的比较多的一种生物法污水处理工艺，它不仅能够很好的去除COD，而且实现了较高的脱氮除磷效果。AAO工艺流程如图1所示，废水经初沉池进入厌氧池，在厌氧池主要是聚磷菌（PAOs）进行磷的释放，PAOs通过分解体内聚磷酸盐的获得能量，摄取水中的挥发性脂肪酸（VFA），将VFA以聚－β羟基丁酸（PHB）的形式存储于体内，同时释放磷到水中。污水进入缺氧池，在缺氧池主要进行反硝化反应，从好氧池回来的携带硝态氮的内回流与从厌氧池来的污水从这里混合，反硝化菌将硝态氮还原成N2，N2逸散到空气中。最后污水进入好氧池，在好氧池主要进行有机物的去除和硝化反应，好氧菌去除水中的有机物，硝化菌硝化水中的氨态氮。污水经二沉池进行排放，回流污泥回流到厌氧池保持系统污泥的浓度。该系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌组成，专性厌氧和一般专性好氧菌群均基本被工艺过程所淘汰。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及由有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入大气中，从而达到脱氮的目的；在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷去除。在以上三类细菌均具有去除BOD的作用，但BOD的去除实际上以反硝化细菌为主。以上各种物质去除过程 可直观地用图所示的工艺特性曲线表示。污水进入曝气池以后，随着聚磷菌的吸收、反硝化菌的利用及好氧段好氧生物分解，BOD浓度逐渐降低。在厌氧段，由于聚磷菌释放磷，TP浓度逐渐升高，至缺氧段升至最高。在缺氧段，一般认为聚磷菌既不吸收磷，也不释放磷，TP保持稳定。在好氧段，由于聚磷菌的吸收，TP迅速降低。在厌氧段和缺氧段，氨氮浓度稳中有降，至好氧段，随着硝化的进行，氨氮逐渐降低。在缺氧段，NO3－N瞬间升高，主要是由于内回流带入大量的NO3－N，但随着反硝化的进行，硝酸盐浓度迅速降低。在好氧段，随着硝化的进行，NO3－N浓度逐渐升高。
A-A-O生物脱氮除磷的功能是有机物去除、脱氮、除磷三种功能的综合，因而其工艺参数应同时满足各种功能的要求。如能有效去除脱氮或除磷，一般也能同时高效地去除BOD，但除磷和脱氮往往是相互矛盾的，具体体现在某些参数上，使这些参数只能局限在某一狭窄的范围内，这是A-A-O系统工艺控制较为复杂的主要原因。
完全的生物硝化，是高效生物脱氮的前提，因而F/M越低SRT越高，脱氮效率越高，而生除磷则要求高F/M低SRT。A-A-O生物脱氮除磷是运行较灵活的一种工艺，可以以脱氮为重点，也可以以除磷为重点，当然也可以二者兼顾。如果既要求一定的脱氮效果，也要求一定的除磷效果，F/M一般控制在0.1～0.18kgBOD5/(kgMLVSS•d)，SRT一般应控制在8～15天。水力停留时间与进水浓度、温度等因素有关。厌氧段水力停留时间一般在1～2小时范围；缺氧段水力停留时间1.5～2小时；好氧段水力停留时间一般应在6小时。内回流比r一般在200～500％之间，具体取决于进水TKN浓度，以及所要求脱氮效率，一般认为，300～500％时脱氮效率最佳。外回流比R一般在50～100％的范围内，在保证二沉池不发生反硝化及二次释放磷的前提下，应使R降至最低，以免将大多的NO3－N带回厌氧段，干扰磷的释放，降低除磷效率。厌氧段DO应控制在0.2mg/l以下，缺氧段DO应控制在0.5mg/l以下，而好氧段DO应控制在2～3mg/l之间。对于生物脱氮来说，COD/TKN应大于4.0，而生物除磷则要求COD/TP大于20。如果不能满足上述要求，应向污水中投加有机物。为了提高COD/TKN值，宜投加甲醇做营养源，为了提高COD/TP值，宜投加乙酸等低级脂肪酸。A-A-O生物除磷脱氮系统中，污泥混合液的PH应控制在7.0之上，如果PH小于6.5时，可提高碱度。温度越高，对生物脱氮越有利，当温度低于15℃时，生物脱氮效率将明显下降。而当温度下降时，则极可能对除磷有利。某些重金属离子、络合阴离子及一些有机物随着工业废水入处理系统后，如果超过一定的浓度，会导致活性污泥中毒，会使某些生物活性受到抑制。反硝化细菌和聚磷菌对毒物及抑制物质的反应，同传统活性污泥系统的污泥基本一致，其中毒或抑制剂量见下表。与以菌类相比，硝化细菌更易受到毒物抑制。一些对异养菌无毒的物质会对硝化细菌形成抑制。而同一种抑制物质，在某一浓度水平下，对异养菌无毒性，而对硝化细菌却可能有抑制作用。
A-A-O生物脱氮除磷工艺，可以通过运行控制，实现以除磷为重点。此时除磷效率可以超过90％，但脱氮效率会非常低。如果运行控制以脱氮为重点，则可获得80％以上的脱氮效率，而除磷往往在50％以下。在运行良好时，可以实现脱氮与除磷同时超过60％，但要维持高效率脱氮的同时，高效率除磷是不可能的。运行中只能选择以二者之一为主，若二者兼顾，则效率都不高。该工艺具有使出水TP小于2mg/l，TN小于9mg/l的潜力，但需良好的设计与精心的运行管理。国外很多采用该工艺的处理厂大多数以脱氮为主，兼顾除磷；如果出水中TP超标，则辅以化学除磷方法。因生物除磷本身并不消耗氧，所以A-A-O生物脱氮除磷工艺曝气系统的控制与生物反硝化系统一致。控制回流比时，应首先保证不使污泥在二沉池内停留时间过长，导致反硝化或磷的二次释放，因此需要保证足够大的回流比；其次，回流比不能太大，以防过量的NO3－N浓度大于4mg/l，必须降低回流比R。单纯从NO3－N对除磷的影响来看，脱氮越完全，NO3－N对除磷的影响越小。运行人员需综合以上情况，结合本厂的具体特点，确定出最佳的回流比。内回流比r与除磷的关系不大，因而r的调节完全与反硝化工艺一致。生物反硝化系统的回流比r是一个重要的控制参数。首先r直接决定脱氮效率。假设生物硝化效率和反硝化效率为100％，即所有的TKN均被硝化成NH3－N，回流至缺氧段的所有NH3－N均被反硝化为N2，此时脱氮效率EDN为：经试验r取100％、200％、300％、400％、500％五种情况分析，r越大，系统的总脱氮效率越高，出水TN越低。但从另一个方面来看，r太高，对脱氮率有不利的影响。因为r太高，通过内回流自好氧段带至缺氧段的DO越多，当缺氧段的DO较高时，会干扰反硝化的进行，使总脱氮率下降。当DO高于0.5mg/l时，会使反硝化停止，实际脱氮率降为零。另外，r太高，还会使污水在缺氧段内的实际停留时间缩短，同样也使脱氮效率降低。综上所述，对于某一生物脱氮系统来说，都存在一个最佳的内回流比，在该r下运行，脱氮效率最高。运行人员应根据本厂实际情况，摸索调度出这个最佳的r值。对于典型的城市污水，最佳的r值在300～500％之间。剩余污泥排放宜根据SRT进行控制，因为SRT的大小直接决定该系统是以脱氮为主还是除磷为主。当控制SRT在8～15d范围内，一般既有一定的除磷效果，也能保证一定的脱氮效果，但效率都不会太高。如果SRT＜8d，除非温度特别高，否则硝化效率非常低，自然也谈不上脱氮，但此时的除磷效率则可能很高。如果控制SRT＞15d，可能使硝化顺利时行，从而得到较高的脱氮效率，但由于排泥太少，排泥量仅是A-O除磷工艺的几分之一，即使污泥中含磷量很高，也不可能得到太高的除磷效率。对于生物脱氮来说，BOD/TKN应大于4.0，而生物除磷则要求COD/TP大于20。如果不能满足上述要求，应向污水中投加有机物，补充碳源不足。AAO碳源的需求公式：A-A-O生物脱氮除磷过程，本质上是一系列生物氧化还原反应的综合，因而工艺控制较复杂。近年来，国外一些处理厂采用氧化还原电位ORP作为系统的一个工艺控制参数，收到了良好效果。国内也已有处理厂安装ORP在线测定仪表。混合液中的DO浓度越高，ORP值越高。当混合液中存在NO3－－N时，其浓度越高，ORP值也越高；而当存在PO43—P时，ORP则随着PO43—P浓度升高而降低。要保证良好的脱氮除磷效果，厌氧段混合液的ORP应＜－250mv，缺氧段宜控制在-100mv左右，而好氧段则应控制在40mv以上。在运行管理中，①如发现厌氧段ORP升高，则预示着除磷效果已经或将降低。应立即分析ORP升高的原因，并采取对策。如果回流污泥带入太多的NO3－N，或由于搅拌强度太大产生空气复氧，都会使ORP值升高；②如发现缺氧段ORP升高，则预示内回流比太大，混合液自好氧段带入缺氧段的DO太多，另外，搅拌强度太大，产生空气复氧，同样也会使ORP升高；③如发现好氧段ORP降低，则说明曝气不足，使好氧段DO下降。污泥混合液的PH一般应控制在7.0之上，如果PH＜6.5，则应投加石灰，补充碱源量。在硝化反应中每硝化lgNH3-N需要消耗7.14g碱度，所以硝化过程中需要的每日需要的碱度量可按下式计算：N—进出生化系统的NH3-N浓度的差值，mg／L；7.14—硝化需碱量系数，kg碱度／kgNH3-N。
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