用氧气代替空气曝气的活性污泥法。空气曝气，是用空气作为氧的来源，空气中含氧量仅为21％，其余为氮、氩等惰性气体，这些气体对生物处理过程只是耗能而不起作用。在氧气曝气中，氧的含量可高达99％以上。由于提高了气相中氧的分压，使氧气向混合液中转移的推动力比空气曝气提高约4.7倍。

氧的高速转移是氧气曝气的基本特性。处理系统可在高浓度溶解氧（DO）6～12 mg/L的范围内运行。在混合液中能维持较高的污泥浓度（MLSS），MLSS高达6～12 g/L，可使污泥负荷降低，提高处理系统的稳定性和耐冲击性。在污泥负荷维持不变的条件下，可提高容积负荷，缩短曝气时间，减少占地面积。曝气时间一般是空气曝气的1/3～1/4。氧气曝气中，混合液污泥体积指数一般只为30～50 mL/g，可以改善污泥沉降性能，避免发生污泥膨胀。剩余污泥产率较空气曝气减少40％左右，可降低后续污泥处置量。氧气曝气较空气曝气节省电能30％～40％。氧气曝气特别适用于处理高浓度污水，及具有低能耗供氧条件的地区。

UNOX氧气曝气工艺示意图

氧气曝气池池型，常为加盖表面曝气池，也称UNOX氧气曝气系统。池体为密封式结构（见图）。原污水、回流污泥和氧气从第1格间进入后，依次通过其他格间。混合液出水进入二沉池，进行泥水分离。残余气体通过第4格间末端的尾气管排出。各格间采用表面曝气机进行充氧。由于池体密封，处理厂的环境较佳。

氧气曝气法早在1934年就有报道，但当时制氧成本高，故只停留在试验阶段。20世纪60年代后期，制氧成本日益降低。特别是深冷法制氧技术出现后，生产性氧气曝气设备才正式投入运转，进入实用阶段，很快就在全世界推广，1978年在美国底特律市建成了一座规模为228万m³/d的大型氧气曝气污水处理厂。

20世纪90年代以来，又发展了氧气生物脱氮、高效能氧气生物流化床和氧气曝气污泥好氧消化等处理工艺，以及超微气泡的敞开式氧气曝气池。

中国从20世纪70年代开始在北京高碑店污水处理厂进行工艺研究，陆续对城市污水及各种工业废水进行了试验。1986年4月，天津石油化工公司氧气曝气处理装置首先正式投入运行。90年代以来，已在淄博、大庆等地建成氧气曝气污水处理厂，运转稳定，效果良好。