本发明公开了一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置和方法，属污水深度处理设备和方法；该处理装置自低向高纵向布置依次有气水混合区、主反应区和沉淀消毒区，该3区体积比为1∶4.5～6.5∶1.5～2.5。首先，空气、污水厂二级尾水泵入气水混合区进行快速混合；然后进入主反应区并形成内环流，在主反应区实现生物脱氮、难降解有机物矿化和有机物去除过程；最后主反应区出水在沉淀消毒区进行沉淀、紫外消毒后排出装置；沉淀消毒区的剩余污泥由排泥口定期排出。优点是该处理方法用于污水处理厂二级尾水等低C/N比水体的脱氮过程，在HRT为5～8h之间，氨氮去除率达到35.2%～47.8%、总氮去除率达到55.2%～72.8%、COD去除率达到37.2%～55.4%。