本发明涉及一种自动化微生物监测系统，包括多级AO系统，还包括与多级AO系统依次连接的图像识别系统、总控系统；其中，图像识别系统包括图像获取模块、第一目标识别模型和第二目标识别模型，图像获取模块用于获取待检测图像；第一目标识别模型用于对待检测图像中污泥的形态进行识别得到第一识别结果，第二目标识别模型用于对待检测图像中微生物的类别进行识别得到第二识别结果；总控系统用于根据第一识别结果和第二识别结果得到用于指示污泥质量和处理效果的微生物检测结果，并根据微生物检测结果控制多级AO系统中污泥的流向。此监测系统能够及时判断多级AO系统中微生物的活性，从而及时调整多级AO工艺的步骤，使污水处理高效运行。