本发明提供了一种污水深度处理工艺和装置，所述工艺包括以下步骤：预处理、混凝气浮处理、生物接触氧化处理和二次沉淀处理；所述装置包括预处理装置、混凝气浮池、生物接触氧化池和二次沉淀池，所述混凝气浮池包括混凝气浮分离池池体和混凝气浮装置，所述生物接触氧化池中设置有填料。本发明的污水深度处理工艺将混凝气浮处理和生物接触氧化处理相结合，并利用微纳米气泡在水中的均匀扩散和纤维束状填料之间的各自比表面积大、相互间接触吸附效果好的特性，能提高污水中的氧含有量和氧的传递效率，增大氧向生物膜内转移的推动力和向生物膜内渗透深度，使生物膜活性提高，活性微生物量增多，提高有机物降解速率。