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傳統(tǒng)活性污泥法是應用最早的工藝，它去除有機物的效率很高，近20年來，水體富營養(yǎng)化的危害越來越嚴重，去除氮、磷列入了污水處理的目標，于是出現(xiàn)了活性污泥法的改進型AO工藝和AAO工藝。AO工藝有兩種，一種是用于除磷的厭氧—好氧工藝，一種是用于脫氮的缺氧—好氧工藝；AAO工藝則是既脫氮又除磷的工藝。 A-A-O生物脫氮除磷工藝是傳統(tǒng)活性污泥工藝、生物硝化及反硝化工藝和生物除磷工藝的綜合。在該工藝流程內，BOD、SS和以各種形式存在的氮和磷將一并被去除。該系統(tǒng)的活性污泥中，菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌組成，專性厭氧和一般專性好氧菌群均基本被工藝過程所淘汰。在好氧段，硝化細菌將入流中的氨氮及由有機氮氨化成的氨氮，通過生物硝化作用，轉化成硝酸鹽；在缺氧段，反硝化細菌將內回流帶入的硝酸鹽通過生物反硝化作用，轉化成氮氣逸入大氣中，從而達到脫氮的目的；在厭氧段，聚磷菌釋放磷，并吸收低級脂肪酸等易降解的有機物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通過剩余污泥的排放，將磷去除。在以上三類細菌均具有去除BOD的作用，但BOD的去除實際上以反硝化細菌為主。以上各種物質去除過程 可直觀地用圖所示的工藝特性曲線表示。污水進入曝氣池以后，隨著聚磷菌的吸收、反硝化菌的利用及好氧段好氧生物分解，BOD濃度逐漸降低。在厭氧段，由于聚磷菌釋放磷，TP濃度逐漸升高，至缺氧段升至最高。在缺氧段，一般認為聚磷菌既不吸收磷，也不釋放磷，TP保持穩(wěn)定。在好氧段，由于聚磷菌的吸收，TP迅速降低。在厭氧段和缺氧段，氨氮濃度穩(wěn)中有降，至好氧段，隨著硝化的進行，氨氮逐漸降低。在缺氧段，NO3－N瞬間升高，主要是由于內回流帶入大量的NO3－N，但隨著反硝化的進行，硝酸鹽濃度迅速降低。在好氧段，隨著硝化的進行，NO3－N濃度逐漸升高。A-A-O生物脫氮除磷的功能是有機物去除、脫氮、除磷三種功能的綜合，因而其工藝參數(shù)應同時滿足各種功能的要求。如能有效去除脫氮或除磷，一般也能同時高效地去除BOD，但除磷和脫氮往往是相互矛盾的，具體體現(xiàn)在某些參數(shù)上，使這些參數(shù)只能局限在某一狹窄的范圍內，這是A-A-O系統(tǒng)工藝控制較為復雜的主要原因。完全的生物硝化，是高效生物脫氮的前提，因而F/M越低SRT越高，脫氮效率越高，而生除磷則要求高F/M低SRT。A-A-O生物脫氮除磷是運行較靈活的一種工藝，可以以脫氮為重點，也可以以除磷為重點，當然也可以二者兼顧。如果既要求一定的脫氮效果，也要求一定的除磷效果，F(xiàn)/M一般控制在0.1～0.18kgBOD5/(kgMLVSS?d)，SRT一般應控制在8～15天。水力停留時間與進水濃度、溫度等因素有關。厭氧段水力停留時間一般在1～2小時范圍；缺氧段水力停留時間1.5～2小時；好氧段水力停留時間一般應在6小時。內回流比r一般在200～500％之間，具體取決于進水TKN濃度，以及所要求脫氮效率，一般認為，300～500％時脫氮效率最佳。外回流比R一般在50～100％的范圍內，在保證二沉池不發(fā)生反硝化及二次釋放磷的前提下，應使R降至最低，以免將大多的NO3－N帶回厭氧段，干擾磷的釋放，降低除磷效率。厭氧段DO應控制在0.2mg/l以下，缺氧段DO應控制在0.5mg/l以下，而好氧段DO應控制在2～3mg/l之間。對于生物脫氮來說，COD/TKN應大于4.0，而生物除磷則要求COD/TP大于20。如果不能滿足上述要求，應向污水中投加有機物。為了提高COD/TKN值，宜投加甲醇做營養(yǎng)源，為了提高COD/TP值，宜投加乙酸等低級脂肪酸。A-A-O生物除磷脫氮系統(tǒng)中，污泥混合液的PH應控制在7.0之上，如果PH小于6.5時，可提高堿度。溫度越高，對生物脫氮越有利，當溫度低于15℃時，生物脫氮效率將明顯下降。而當溫度下降時，則極可能對除磷有利。某些重金屬離子、絡合陰離子及一些有機物隨著工業(yè)廢水入處理系統(tǒng)后，如果超過一定的濃度，會導致活性污泥中毒，會使某些生物活性受到抑制。反硝化細菌和聚磷菌對毒物及抑制物質的反應，同傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的污泥基本一致，其中毒或抑制劑量見下表。與以菌類相比，硝化細菌更易受到毒物抑制。一些對異養(yǎng)菌無毒的物質會對硝化細菌形成抑制。而同一種抑制物質，在某一濃度水平下，對異養(yǎng)菌無毒性，而對硝化細菌卻可能有抑制作用。
A-A-O生物脫氮除磷工藝，可以通過運行控制，實現(xiàn)以除磷為重點。此時除磷效率可以超過90％，但脫氮效率會非常低。如果運行控制以脫氮為重點，則可獲得80％以上的脫氮效率，而除磷往往在50％以下。在運行良好時，可以實現(xiàn)脫氮與除磷同時超過60％，但要維持高效率脫氮的同時，高效率除磷是不可能的。運行中只能選擇以二者之一為主，若二者兼顧，則效率都不高。
該工藝具有使出水TP小于2mg/l，TN小于9mg/l的潛力，但需良好的設計與精心的運行管理。國外很多采用該工藝的處理廠大多數(shù)以脫氮為主，兼顧除磷；如果出水中TP超標，則輔以化學除磷方法。因生物除磷本身并不消耗氧，所以A-A-O生物脫氮除磷工藝曝氣系統(tǒng)的控制與生物反硝化系統(tǒng)一致。控制回流比時，應首先保證不使污泥在二沉池內停留時間過長，導致反硝化或磷的二次釋放，因此需要保證足夠大的回流比；其次，回流比不能太大，以防過量的NO3－N濃度大于4mg/l，必須降低回流比R。單純從NO3－N對除磷的影響來看，脫氮越完全，NO3－N對除磷的影響越小。運行人員需綜合以上情況，結合本廠的具體特點，確定出最佳的回流比。內回流比r與除磷的關系不大，因而r的調節(jié)完全與反硝化工藝一致。生物反硝化系統(tǒng)的回流比r是一個重要的控制參數(shù)。首先r直接決定脫氮效率。假設生物硝化效率和反硝化效率為100％，即所有的TKN均被硝化成NH3－N，回流至缺氧段的所有NH3－N均被反硝化為N2，此時脫氮效率EDN為：
經(jīng)試驗r取100％、200％、300％、400％、500％五種情況分析，r越大，系統(tǒng)的總脫氮效率越高，出水TN越低。但從另一個方面來看，r太高，對脫氮率有不利的影響。因為r太高，通過內回流自好氧段帶至缺氧段的DO越多，當缺氧段的DO較高時，會干擾反硝化的進行，使總脫氮率下降。當DO高于0.5mg/l時，會使反硝化停止，實際脫氮率降為零。另外，r太高，還會使污水在缺氧段內的實際停留時間縮短，同樣也使脫氮效率降低。綜上所述，對于某一生物脫氮系統(tǒng)來說，都存在一個最佳的內回流比，在該r下運行，脫氮效率最高。運行人員應根據(jù)本廠實際情況，摸索調度出這個最佳的r值。對于典型的城市污水，最佳的r值在300～500％之間。剩余污泥排放宜根據(jù)SRT進行控制，因為SRT的大小直接決定該系統(tǒng)是以脫氮為主還是除磷為主。當控制SRT在8～15d范圍內，一般既有一定的除磷效果，也能保證一定的脫氮效果，但效率都不會太高。如果SRT＜8d，除非溫度特別高，否則硝化效率非常低，自然也談不上脫氮，但此時的除磷效率則可能很高。如果控制SRT＞15d，可能使硝化順利時行，從而得到較高的脫氮效率，但由于排泥太少，排泥量僅是A-O除磷工藝的幾分之一，即使污泥中含磷量很高，也不可能得到太高的除磷效率。對于生物脫氮來說，BOD/TKN應大于4.0，而生物除磷則要求COD/TP大于20。如果不能滿足上述要求，應向污水中投加有機物，補充碳源不足。AAO碳源的需求公式：A-A-O生物脫氮除磷過程，本質上是一系列生物氧化還原反應的綜合，因而工藝控制較復雜。近年來，國外一些處理廠采用氧化還原電位ORP作為系統(tǒng)的一個工藝控制參數(shù)，收到了良好效果。國內也已有處理廠安裝ORP在線測定儀表。混合液中的DO濃度越高，ORP值越高。當混合液中存在NO3－－N時，其濃度越高，ORP值也越高；而當存在PO43—P時，ORP則隨著PO43—P濃度升高而降低。要保證良好的脫氮除磷效果，厭氧段混合液的ORP應＜－250mv，缺氧段宜控制在-100mv左右，而好氧段則應控制在40mv以上。在運行管理中，①如發(fā)現(xiàn)厭氧段ORP升高，則預示著除磷效果已經(jīng)或將降低。應立即分析ORP升高的原因，并采取對策。如果回流污泥帶入太多的NO3－N，或由于攪拌強度太大產(chǎn)生空氣復氧，都會使ORP值升高；②如發(fā)現(xiàn)缺氧段ORP升高，則預示內回流比太大，混合液自好氧段帶入缺氧段的DO太多，另外，攪拌強度太大，產(chǎn)生空氣復氧，同樣也會使ORP升高；③如發(fā)現(xiàn)好氧段ORP降低，則說明曝氣不足，使好氧段DO下降。污泥混合液的PH一般應控制在7.0之上，如果PH＜6.5，則應投加石灰，補充堿源量。在硝化反應中每硝化lgNH3-N需要消耗7.14g堿度，所以硝化過程中需要的每日需要的堿度量可按下式計算：Q—進入污水系統(tǒng)的日污水量，m3／d；N—進出生化系統(tǒng)的NH3-N濃度的差值，mg／L；7.14—硝化需堿量系數(shù)，kg堿度／kgNH3-N。
