本发明公开了一种AAO污水处理系统及其处理方法，包括：一次提升泵房、厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池、二次提升泵房、混凝池、沉淀池、反硝化滤池、接触消毒池、出水池、污泥池；二次提升泵房与反硝化滤池之间设置有用于将二次提升泵房内污水直接输送至反硝化滤池内的超越管线；出水池设置在线TN仪、在线氨氮仪、在线TP仪、在线COD仪、在线余氯仪。污泥泵房内设有污泥回流泵。本发明通过在线仪表以及超越管线的设置，对整个污水处理系统进行了精确控制做到精确运行，能够在确保污水厂出水水质达标的同时有效降低能耗和药耗；同时有效保证消毒药剂的投加量，确保细菌病毒的有效灭除，降低传染性病毒的传播风险。