利用AO法脱氮除磷，必须要达到这两个条件：①为反硝化菌创造活跃的环境，积极除氮；②创造聚磷菌活跃的环境，利用以上两个作用脱氮除磷。同步脱氮除磷，在理论上是可行的，但实际操作上却很困难。
微生物为获得能源，会利用更多的氧气分解有机物，而反硝化菌在缺氧条件下，能充分利用硝酸根离子（NO3-）和亚硝酸根离子（NO2-）中含有的氧，并最终将污水中的氮转化为气体，释放到空气中。这就是脱氮的基本原理。此外，氨氮通过硝化反应转化为亚硝酸根离子，可以进一步生成硝酸根离子。
水处理脱氮运行时，首先应让大量的硝化菌生存在活性污泥中。为此，应促使进水中的氨氮在反应池的好氧段氧化为硝酸根离子。接下来，为让含有硝酸根离子的二沉池出水与污水和活性污泥相混合，需在反应池中设置厌氧状态（无氧、有NO3-）。厌氧状态下的微生物为从污水中获得能量，将利用硝酸盐氮中的氧，活跃地讲解有机物。硝酸盐氮中的氧被消耗后残留的氮，转化为气体，向大气释放。微生物处于厌氧条件下（无氧、无NO3-）时，与污水混合，为了从污水的有机物中获取能量而摄取氧。但是，在氧气不存在时，聚磷菌将消耗自身体内的三磷酸腺苷中的氧，获得能量，其结果是在厌氧段释放无机磷。随后，含有被释放出的磷的微生物混合水在好氧条件下，由于唯恐再次处于饥饿状态，开始在体内大量蓄积超出释放量的磷。通过这些微生物的作用，处理水中的磷减少了。这就是除磷的机理。进行除磷处理时，首先在反应池内设厌氧状态。在绝氧池内，活性污泥与成为其食物的进水中的有机物进行混合，活性污泥中的聚磷菌释放无机磷。但是，在接下来的好氧池内，聚磷菌摄取磷，由此达到除磷的效果。综上所述，采用同样的AO法运行，既可以脱氮又可以除磷，根据二者不同的机理，需要设定厌氧（无氧、有NO3-）和厌氧（无氧、无NO3-）条件。根据流程设定可以看出，AO脱氮/除磷相差的仅仅就是一个内回流，在AO脱氮工艺中，内回流携带硝态氮（受氢体）进入A池，碳源在A池中代谢完成脱氮的代谢；而在AO除磷工艺中，A池要保证厌氧环境，A池是对于有机物是初步的代谢及储存，最终在好氧池中作为能量进行磷酸盐的过量吸收的代谢过程。
所以一般的，我们可以从有无内回流来判断AO工艺是脱氮还是除磷的设置，当然也有少部分将内外回流合并到一起的，本人不是很赞同这种设计，这种设计会把二沉池的停留时间跟生化池的绑定，使二沉池的进水负荷增加，停留时间缩短，后果就是要么二沉池做的大，要么停留时间不够沉淀效果很差！
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