多级生物处理工艺主要包括了外循环厌氧处理系统、生物增浓同步脱氮系统、改良A/O氧化、活性硅藻土和碳粉吸附系统、絮凝沉淀处理系统和滤池。该工艺目前在哈尔滨煤气厂煤气化废水治理工程中得到应用。
三种煤制气有机废水处理技术均在实际工程中得到应用，但从技术成熟度，流程稳定性来相比，多级生物处理技术的均较好。主要是由于以下因素：(1)含油污水进入含油废水均质罐，经水量调节和均质后，进入隔油沉淀池、气浮池除油，来水具有较大的冲击时，进入含油污水缓冲池暂存。经除油后的废水进入外循环厌氧处理系统，经水解酸化并提高可生化性，之后进入均质池，并与其它有机污水混合均质。(2)外循环厌氧处理系统在改善煤制气废水水质的同时，实现部分有机物的羧化转变过程，并利用厌氧细菌将部分废水污染物转化成甲烷，同时将部分难降解有机物转化为易降解有机物，为后续好氧生物工艺降低处理难度和减轻运行负担;外循环厌氧处理系统平均停留时间40小时，COD去除率30%~40%之间。(3)生物增浓同步脱氮工艺是投加一定量的炭粉以增加污泥浓度，控制特定的水力条件、高污泥浓度、低溶解氧(DO=0.3~0.5mg/L)等参数实现在低氧条件下去除有机物、氨氮短程硝化反硝化和脱氮过程相结合的工艺。
生物增浓同步脱氮工艺是在亚硝酸盐和氨氮同时存在的条件下，通过控制溶解氧，利用自养型细菌将氨和亚硝酸盐同时去除，产物为氮气，另外还伴随产生少量硝酸盐，由于参与反应的微生物属于自养型微生物，因此生物增浓同步脱氮工艺不需要碳源。低氧曝气避免了运行中泡沫增加的问题，是组合工艺中最主要的污染物去除工艺之一。低氧条件下把氨氮转化为硝酸盐氮，硝酸盐氮直接发生硝化反应转化成氮气，生物增浓同步脱氮工艺具有以下优势：生物增浓同步脱氮工艺兼有水解酸化作用，对难降解的COD和多元酚有较好的适应性，COD和多元酚的去除效果要优于其他好氧工艺。生物增浓同步脱氮工艺在有效去除COD的同时，低溶氧又创造了同步硝化反硝化脱氮的条件，在生化池实现了脱氮过程，简化了工艺流程，节省了投资。低溶解氧控制避免了大量"氧"的浪费，在废水处理站实现节能降耗。低溶解氧避免了泡沫的产生。生物增浓同步脱氮池内投加炭粉，增加微生物生物量。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
采用玻璃钢防风罩保护系统。生物增浓同步脱氮池的COD去除率在80%~85%之间，平均停留时间为40小时。(4)改良A/O氧化工艺处理是利用厌氧和好氧的交替作用，利用硝化菌和反硝化菌的作用，进一步降解废水中的COD和降解废水中的氨氮。改良A/O氧化工艺的回流比可以根据需要随意变动，针对酚氨回收废水剩余氨氮和有机物的降解需要调整回流比，对氨氮硝化和反硝化脱氮进行强化处理，改良A/O氧化工艺的兼氧与好氧交替运行可以改善难降解污染物的性质，强化降解废水中剩余的有机污染物。改良A/O氧化工艺在运行中定期加入菌种固定化载体，增强菌种的数量，平均停留时间为32小时。(5)活性硅藻土和碳粉吸附系统主要是通过活性硅藻土和碳粉的物理化学吸附功能，进一步吸附去除污水中难降解的CODCr，提高水体的可生化性;吸附方式采用廊道式高效动态方式，吸附CODCr去除率在35%以上。吸附后的出水经沉淀后进入后续的低负荷生物处理装置进行处理。(6)滤池是一种去除水中SS的深度处理技术，作为废水的回用深度处理手段，确保出水水质达到设计要求。