生物脫氮的基本原理是在將有機氮轉化為氨態氮的基礎上，先利用好氧段經硝化作用，由硝化細菌和亞硝化細菌的協同作用，將氨氮通過反硝化作用轉化為亞硝態氮、硝態氮，即將NH3轉化為NO2--N和NO3--N。在缺氧條件下通過反硝化作用，以硝酸鹽氮為電子受體，以有機物為電子供體進行厭氧呼吸，并有外加碳源提供能量，將硝氮轉化為氮氣，即，將NO2--N（經反亞硝化）和NO3--N（經反硝化）還原為氮氣，溢出水面釋放到大氣，參與自然界氮的循環。水中含氮物質大量減少，降低出水的潛在危險性，達到從廢水中脫氮的目的。
由此可見，生物脫氮系統中硝化與反硝化反應需要具備如下條件： 硝化階段：足夠的溶解氧(DO)值在2mg/L以上，合適的溫度，最好20℃,不低于10℃，足夠長的污泥泥齡，合適的pH條件。 反硝化階段：硝酸鹽的存在，缺氧條件(DO)值在0.5mg/L左右，充足的碳源(能源)，合適的pH條件。 通過上述原理，可組成缺氧與好氧池，即所謂A/O系統。
AO工藝法也叫厭氧-好氧工藝法，A(Anacrobic)是厭氧段，用與脫氮除磷；O(Oxic)是好氧段，用于除水中的有機物。
A/O法生物去除氨氮原理：污水中的氨氮，在充氧的條件下（O段），被硝化菌硝化為硝態氮，大量硝態氮回流至A段，在缺氧條件下，通過兼性厭氧反硝化菌作用，以污水中有機物作為電子供體，硝態氮作為電子受體，使硝態氮波還原為無污染的氮氣，逸入大氣從而達到最終脫氮的自的。
硝化反應：
NH4+＋2O2→NO3-＋2H++H2O
反硝化反應：
6NO3-＋5CH3OH（有機物）→5CO2↑＋7H2O+6OH-+3N2↑
如圖，A/O工藝將前段缺氧段和后段好氧段串聯在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=2～4mg/L。在缺氧段異養菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機物水解為有機酸，使大分子有機物分解為小分子有機物，不溶性的有機物轉化成可溶性有機物，當這些經缺氧水解的產物進入好氧池進行好氧處理時，提高污水的可生化性，提高氧的效率；在缺氧段異養菌將蛋白質、脂肪等污染物進行氨化（有機鏈上的N或氨基酸中的氨基）游離出氨（NH3、NH4+），在充足供氧條件下，自養菌的硝化作用將NH3-N（NH4+）氧化為NO3-，通過回流控制返回至A池，在缺氧條件下，異氧菌的反硝化作用將NO3-還原為分子態氮（N2）完成C、N、O在生態中的循環，實現污水無害化處理。
A/O法脫氮工藝的特點：
（a）流程簡單，勿需外加碳源與后曝氣池，以原污水為碳源，建設和運行費用較低；
（b）反硝化在前，硝化在后，設內循環，以原污水中的有機底物作為碳源，效果好，反硝化反應充分；
（c）曝氣池在后，使反硝化殘留物得以進一步去除，提高了處理水水質；
（d）A段攪拌，只起使污泥懸浮，而避免DO的增加。O段的前段采用強曝氣，后段減少氣量，使內循環液的DO含量降低，以保證A段的缺氧狀態。
