本发明公开了一种污水生物反应系统以及升级扩容方法，其包污水生物反应池，活性污泥缺氧区、活性污泥缺氧/厌氧区与缺氧/好氧过渡区依次连通，MBBR处理区与活性污泥好氧区通过隔墙底部的穿孔相连通，MBBR处理区通过出水筛网与单纯活性污泥好氧区相连通；缺氧/好氧过渡区与活性污泥好氧区相连通，单纯活性污泥好氧区通过内回流潜污泵与活性污泥缺氧区相连通；单纯活性污泥好氧区通过一管路与二沉池相连通，二沉池通过一回流管路与活性污泥缺氧区相连通。对现有的CAST/CASS生物池进行改装，在降低改装成本的前提下，有效增强池内总氮(TN)、总磷(TP)生物去除能力和提高污染负荷(扩容)的处理能力，提高了污水处理效率。