本发明涉及一种城市污水碳源回收处理方法及装置，包括以下步骤：将城市污水作为原料液经过滤后通入正渗透膜组件一侧，在正渗透膜组件另一侧的汲取液的作用下进入正渗透膜组件另一侧的汲取液筒，其中所述汲取液为海水；将汲取液筒中被稀释的海水通入膜分离组件，在所述膜分离组件的产水出口收集产水，再将膜分离的浓水流回到所述汲取液筒；使用城市污水作为原料液，海水作为汲取液进入正渗透系统，原料液中的水透过正渗透膜，污染物被截留，从而使城市污水被浓缩，海水被稀释，同时实现污水浓缩和海水脱盐，降低城市污水处理成本，实现有机碳源回收，并且稀释的海水易于脱盐，降低海水淡化的成本。