一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法及装置，属于污水生物处理技术领域。装置设有城市污水原水水箱、生物除碳反应器、中间水箱和一体化自养脱氮反应器。生物除碳反应器主要用于去除污水中有机物，其剩余污泥可用于厌氧发酵产甲烷。一体化自养脱氮反应器中主要存在两种菌：以絮体形式存在的氨氧化菌和以生物膜形式存在的厌氧氨氧化菌。城市污水首先进入生物除碳反应器，通过活性污泥吸附作用将水中的大量有机物吸附至活性污泥，而后经过中间水箱进入一体化自养脱氮反应器，通过控制溶解氧浓度在0.5mg/L以下，实现短程硝化-厌氧氨氧化。本发明脱氮过程中采取低氧曝气，且无需投加外加碳源，节约能耗。另外，生物除碳反应器利用活性污泥吸附作用去除污水中有机物，使污水中有机物尽可能多的用于厌氧发酵产甲烷，实现了城市污水能量的高效回收。