在系統的活性汙泥中，菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌組成，專性厭氧和壹般專性好氧菌群基本被工藝消滅。
在好氧階段，硝化菌通過生物硝化作用將進水中的氨氮和有機氮氨化後的氨氮轉化為硝酸鹽；
在缺氧階段，反硝化菌通過生物反硝化將內回流帶來的硝酸鹽轉化為氮氣逃逸到大氣中，從而達到脫氮的目的；
厭氧階段，聚磷菌釋放磷，吸收低級脂肪酸等易降解有機物；而在好氧階段，聚磷菌吸收多余的磷，並通過剩余汙泥的排放將其去除。
AAO工藝的缺點:
脫氮除磷對外界環境條件的要求是矛盾的。脫氮要求有機負荷低、泥齡長，除磷要求有機負荷高、泥齡短，往往難以權衡。
因為厭氧區在首位，回流汙泥中的硝酸鹽對厭氧區有不利影響；
由於缺氧區位於系統中部，反硝化在碳源分配上處於劣勢，影響了系統的脫氮效果。
由於內循環，常規工藝系統排放的剩余汙泥中至少有壹小部分實際上已經經歷了壹個完整的釋磷和吸磷過程，其余的基本上已經從缺氧區進入好氧區而沒有厭氧狀態，這對系統的除磷是不利的。