AO工艺通常是在常规的好氧活性污泥法处理系统前，增加一段缺氧生物处理过程。在好氧段，好氧微生物氧化分解污水中的BOD5，同时进行硝化反应，有机氮和氨氮，在好氧段转化为硝化氮并回流到缺氧段，其中的反硝化细菌利用化和态氮和污水中的有机碳进行反硝化反应，使化合态氮变成分子态氮，同时去除碳和氢的效果。

生物脱氮机理认为：脱氮过程一般包括氨化、硝化和反硝化三个过程。

①氨化（ Ammonification）：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程。

②硝化（ Nitrification）：废水中的氨氮在硝化菌（好氧自养型微生物）的作用下被转化为NO2二和NO3的过程。

③反硝化（ Denitrification）：废水中的NO2和NO3在缺氧条件下以及反硝化菌（兼性异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程，其中硝化反应分为两步进行：亚硝化和硝化。

反硝化反应主要影响因素与控制要求

①碳源（C/N）的控制。生物脱氮的反硝化过程中，需要一定数量的碳源以保证一定的碳氮比，而使反硝化反应能顺利地进行。

②反硝化反应最适宜的pH值为8~8.6，pH值高于8.6或低于6，反硝化速率将大幅度下降。

③反硝化反应最适宜的温度是20~40℃。低于15℃反硝化反应速率降低，为了保持一定的反应速率，在冬季时采用降低处理负荷、提高生物固体平均停留时间以及水力停留时间等措施。

④反硝化菌属于异养兼性厌氧菌，在无分子氧但存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，一方面，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原；另一方面，因为反硝化菌体内的某些酶系统组分只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化菌适宜在厌氧、好氧条件交替下进行，故溶解氧应控制在0.5mg/以下。