本发明涉及一种气液分离装置，包括设置在含气泡液体区和基本不含气泡液体区之间的气液分离区，所述气液分离区具有与含气泡液体区流体连通的入口、与基本不含气泡液体区流体连通的出口以及设置在所述入口和所述出口之间的分离室，所述入口设置在所述出口的上方，所述分离室具有沿所述入口到所述出口的方向上水平截面面积连续增加的扩张段。本发明还涉及具有上述气液分离装置的污水处理装置。本发明的气液分离装置和污水处理装置具有结构简单且紧凑、分离效率高、可靠性高、无运动部件、设备投资小、能耗小、易于操作、可小型化等优点。