氧化沟工艺自诞生以来，其发展过程可分为四个阶段：
Pasveer氧化沟当时用来处理村镇的污水，服务人口只有340人。这是一种间歇流的处理厂，它把常规处理系统的四个主要内容合并在一个沟中完成，白天进水曝气，夜间用作沉淀池，BOD5的去除率达到97%左右。
采用卧式表面曝气机曝气及推流，每隔一段时间，Pasveer氧化沟的曝气机就需停下来，使沟内的污泥沉淀，排出处理后的出水。第一代氧化沟沟深1～2.5m，为了达到连续运行，Pasveer氧化沟发展的多种形式，设置了二沉池。这一阶段的氧化沟主要是延时曝气系统。
氧化沟因其简易、运行管理方便等优点，自60年代以来其数量和规模不断增长和扩大，处理能力已从300人口当量发展到1000万人口当量。处理对象也从处理生活污水发展到既能处理城市污水又能处理工业废水。这期间，有相当多的工业废水也相继采用氧化沟技术进行处理的工程范例。
新一代氧化沟由于采用直径1米的曝气刷（Mammoth Rotor系由Passavant公司生产）和立式曝气器（DHV公司），使氧化沟的沟深逐步扩大。使用Mammoth Rotor沟深可达3.5m，沟宽可达20m。而使用立式曝气器的氧化沟，后来称为Carrousel氧化沟，沟深可达4.5m。这一阶段的氧化沟考虑到了硝化和反硝化（Simultaneous Nitrification/Denitrification）。
随着氧化沟技术的发展，人们从不同的角度对氧化沟作了深入细致的研究，出现了许多种新型的氧化沟，如：
·DHV公司的Carrousel 2000型、Carrousel Dlenit型、DHV—EIMCO Carrousel氧化沟
·丹麦Kruger公司的双沟、三沟式氧化沟
·德国Passavant公司使用Mammoth Rotor的深型氧化沟
·美国Envirex公司的Orbal多环型氧化沟
这一阶段的氧化沟进一步考虑到了利用氧化沟进行除磷脱氮处理，许多新的概念被提出来，产生了许多新的设计方法。在这一时期，氧化沟出现不只是延时曝气低负荷系统，还出现了所谓“高负荷氧化沟”、“要求硝化的氧化沟”、“要求硝化反硝化及除磷的氧化沟”及“要求污泥稳定的氧化沟”等，还有许多的新的沟型出现。
80年代初期，美国最早提出将二沉淀池直接设置在氧化沟中的一体氧化沟概念，在短短的十几年中，这一概念在实际中得到迅速发展和应用，并显示出极为广阔的前景。所谓一体化氧化沟，就是充分利用氧化沟较大的容积和水面，在不影响氧化沟正常运行的情况下，通过改进氧化沟部分区域的结构或在沟内设置一定的装置，使污水分离过程在氧化沟内完成。美国环境保护局将这一技术称之谓革新即可选择的（I/A）技术。
一体化氧化沟由于其中沉淀区结构形式及运行方式不同，有多种型式，例如：
1）带沟内分离器的一体化氧化沟（BMTS式）
2）船形一体化氧化沟
3）侧沟或中心岛式一体化氧化沟（中国）
4）交替曝气式氧化沟
