纯氧曝气工艺与空气曝气活性污泥法机理上基本是相同的，都是通过好氧微生物对污水中的有机物进行生化反应使污水得以净化。所不同的是前者是向污水中充纯氧，后者是向污水中充空气。氧气法的一大特点就是处理效率明显高于空气法。将同一污水处理到同一水平，氧气法所需曝气时间一般仅为空气法的1 /3 左右。这是因为纯氧的浓度是空气中氧浓度(21%) 的4.7 倍，因此氧气法系统中氧的分压，亦即溶氧的推动力，也比空气法高4.7倍，在水中溶解氧的饱和值CS 也增加了4.7 倍，充氧速率也增加了4.7 倍，显著提高了氧的转移速率，从而使好氧微生物的浓度和活性都提高，明显改善了传统活性污泥法的不足。
纯氧曝气与空气曝气的各项参数比较见表1。
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与空气曝气系统相比，纯氧曝气系统有以下显著优点: (1)溶解氧浓度可达到6～10 mg/L，故生物量负荷高，保证了能够快速地适应变化的有机负荷，同时污泥中的丝状菌得到了抑制，形成密实的絮体颗粒，具有很好的沉降性和浓缩性，SVI 仅为空气活性污泥的1/2～1/3; (2)在高纯氧条件下，生物处于高度的内源代谢即自身氧化阶段，因而产泥量大为减少， 纯氧曝气可以减少高达 25%的剩余污泥; (3)氧的转移速率和利用率高，纯氧曝气氧利用率达到了90%，处理效率高， 能耗低; (4)处理相同污水停留时间仅为空气曝气的 1 /3～ 1/4，因此池容也相应减小。纯氧曝气实际安装所占空间远较常规的系统的要小; (5)纯氧曝气系统的噪声远低于鼓风曝气系统，基本上不存在挥发性有机化合物(VOC)的气体逸散，减轻了污泥与废气的二次污染，降低了污水处理厂对周围环境的不利影响。
