污水与回流污泥混合后进入厌氧池，在兼性厌氧菌的作用下，部分易降解的大分子有机物转化为小分子的VFA，聚淋菌吸收这些小分子物质合成PHB并储存在细胞内，同时将细胞内的聚合麟酸盐水解成正麟酸盐释放到水中，在厌氧段部分BOD被去除。
厌氧池出水和从好氧池内回流的NO-x-N进入缺氧池被反硝化细菌利用污水中的有机物还原成N2去除，有机物和 NO-x-N都得到去除。混合液从缺氧池进入好氧池后主要完成有机物的进一步去除、有机氮氨化、氨氮硝化，同时聚麟菌分解体内的PHB获取能量供自身生长繁殖，并超量吸收溶解性的正麟酸盐以聚合淋酸盐的形式储存于体内，最后二沉池通过排除富磷污泥使磷得到去除。
A2O工艺的运行特点
(1) 污水首先进入厌氧段，充分发挥了厌氧菌群对高浓度、较难降解有机物的降解优势，适合混有工业废水的城市污水处理，污泥产量少。
(2) 简化了处理流程，增加了处理功能，是最简单的脱氮除磷工艺，减少了水力停留时间。
(3) 在厌氧-缺氧-好氧交替运行下，丝状菌不会大量繁殖，SVI一般小于100，不会发生污泥膨胀。
(4) 剩余污泥中的磷含量一般可达污泥干重的6%～7% ，具有很高的肥效。
脱氮除磷过程中反硝化细菌和聚磷菌是混合共生的，相互竞争碳源，且反硝化细菌会优先摄取碳源，厌氧段碳源不足会抑制聚磷菌的释磷，从而导致最终除磷效果变差，为了保证良好的除磷效果，厌氧段需要有充足的可供聚磷菌吸收的碳源，一般将厌氧池( SP/SBOD) 控制在0.06以内，污泥负荷控0.10kgBOD5 /( kgMLSS˙d) 以上。系统运行过程中应定期核算污水进水水质是否满足BOD5/TKN大于4，BOD5/TP大于20的要求，否则需要补充碳源。在碳源分配上，厌氧池、缺氧池、好氧池呈递减趋势，厌氧池需要过多的碳源，缺氧池碳源充足，好氧池碳源较低。
在厌氧池之前增设缺氧调节池，来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水首先进入缺氧调节池，停留时间为20-30min，微生物利用约10%进水中有机物还原回流NO-x-N，消除其对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性，提高除磷效果，90%的进水和缺氧调节池出水混合后进入厌氧池进行释磷,改良A2O工艺对低C/N城市生活污水的处理，得出了最优操作条件为在缺氧调节池回流污泥比为15% ，TP去除率为89.51% ，硝化液回流比为250%时，TN去除率为65.3% 。
A2O工艺作为最基本的同步脱氮除磷工艺，由于实现不同功能的三种菌种( 硝化菌、反硝化菌、聚磷菌) 均不能在各自合适的条件下生长，碳源矛盾、回流NO-x-N问题不能从根本上解决，脱氮除磷相互制约，氮磷去除率不可能同时达到目标。工程应用中可根据实际进水情况，有所偏向地重点去除氮或磷，也可以通过操作条件优化，获得最优的氮磷同步去除率。
