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。具体联系污水宝或参见更多相关技术文档。
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：①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。②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。③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。④低溶解氧避免了泡沫的产生。⑤生物增浓同步脱氮池内投加炭粉，增加微生物生物量。⑥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。
针对有机废水，目前主要采用“物化处理+生化处理+深度处理”3个环节进行处理。各环节常用的处理工艺如下所述。
1)物化处理段。物化处理段主要有隔油池、气浮池和混凝沉淀池，其中隔油池适用于去除煤气水中大部分油类，对于乳化物和皂化物，既不沉池底也不易上浮至表面，采用中间间断排放方式排出隔油池。气浮池主要用于去除密度较轻的油类物和悬浮物(SS)。混凝沉淀主要用于去除含量较多的SS和胶体。
2)生化处理段。生化处理段常用工艺主要有缺氧-好氧脱氮工艺(A/O)、厌氧-缺氧-好氧工艺(A/A/O)、序批式活性污泥法(SBR)、氧化沟工艺和生物移动床反应器(MBBR)。A/O和A/A/O工艺主要在厌氧(缺氧)、好氧交替运行条件下，实现对有机物及氮类化合物的去除。具体联系污水宝或参见更多相关技术文档。
SBR工艺可在同一个反应器内实现缺氧、好氧交替运行，实现有机物及氮类化合物的去除。氧化沟工艺能在沟中的不同区域出现好氧和缺氧的环境，实现硝化和反硝化的目的。MBBR工艺具有生物滤池与流化床的多种优点，不存在生物滤池的填料堵塞、需反冲洗等问题，同时能耗也没有生物流化床高，其利用生物载体上的生物膜实现同步硝化反硝化，达到脱氮目的。
3)深度处理段。深度处理段常用工艺主要有臭氧氧化、化学氧化+曝气生物滤池(BAF)+活性炭吸附，其中臭氧氧化及化学氧化技术的主要功能是有机废水经过生化处理后，可生化性较差，设置高级氧化工艺提高废水的可生化性。BAF主要是为进一步去除废水中残留的COD和氨氮。最后设置活性炭吸附，主要功能是保证出水的稳定性和可靠性，防止出水水质波动对后续膜处理的冲击。
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