本发明公开了一种双循环催化臭氧水处理装置，解决了现有装置内流体只能进行单循环流动，导致氧化效率降低等问题；该装置包括同心设置的三个圆筒，构造了强催化臭氧和弱催化臭氧在空间上彼此分离的内、外双循环，其中的外循环区，利用活性炭的吸附特性，并通过弱催化特性的活性炭催化臭氧，将废水中易氧化的有机物组分分解；而内循环区，则实现了紫外光和TiO₂协同催化臭氧，生成比臭氧氧化效能更高的羟基自由基，利用羟基自由基氧化废水难降解的有机分子。该装置使水中有机污染物按照氧化难易程度进行空间分离，提高了氧化效率，减少水力停留时间，降低了紫外灯和臭氧消耗。本发明同时还提供了使用该装置进行水处理的方法。