用于污水处理系统升级改造的低能耗、智能化立体生态外循环硝化方法及装置，是在污水处理的接触氧化池设置太阳能发电装置和风力发电机，为污水处理系统运行提供能源；池内设置至少一立体生态外循环硝化处理单元，各单元自上而下分为生态除臭区和循环硝化反应区，循环硝化反应区自外而内分为兼氧沉降区和中心沉淀区，接触氧化池还设有曝气元件形成好氧流化区，并引入控制器控制池内的污水处理时的流量、溶解氧、温度及污泥浓度，使污水在好氧流化区和兼氧沉降区之间多次循环流动，形成硝化反应循环，完成反应的上清液由集水管流出。本发明通过曝气动力使污水在各个区域循环流动实现循环硝化，可有效脱除污染物，达到了城市污水厂升级改造排放指标。