地上式污水處理設備去除有機污染物及氨氮主要依賴于設備中的AO生物處理工藝。其中工作原理是在A級，由于污水有機物濃度很高，微生物處于缺氣狀態，此時微生物為兼性微生物，它們將污水中的有機氨轉化分解為NH3-N，同時利用有機碳作為電子供體，將NOˉ2-N、NOˉ3-N轉化為N2，而且還利用部分有機碳源和NH3-N合成新的細胞物質。所以A級池不僅具有一定的有機物去功能，減輕后續好氧池的有機負荷，以利于硝化作用的進行，而且依靠原水中存在的較高濃度有機物，完成反硝化作用，zui終消除氮的富營養化污染。在O級，由于有機物濃度已大幅度降低，但仍有一定量的有機物及較高的NH3-N存在。為了使有機物得到進一步氧化分解，同時在碳化作用處于完成情況下硝化作用能順利進行，在O級設置有機負荷較低的好氧生物接觸氧化池。在O級池是主要存在好氧微生物及處氧型細菌（硝化菌）。其中好氧微生物將有機物分解成CO2和H2O；自養型細菌（硝化菌）利用有機物分解產生的無機碳或空氣中的CO2作為營養源，將污水中的NHˉ3-N轉化成Nˉ2-ON、Nˉ3-ON、O級池的出水部分回流到A級池，為A級池提供電子受體，通過反硝化作用zui終消除氮污染。
