一种半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置和方法，属于污水生物处理领域。装置包括顺序串联的原水水箱、去除有机物SBR反应器、第一调节水箱、半短程硝化SBR反应器、第二调节水箱和自养脱氮UASB反应器，气体收集系统和在线检测系统；三个反应器将不同污泥按污泥龄分开，避免了异养菌快速增殖对自养脱氮菌群的影响，硝化系统采用半短程硝化，保证了硝化系统的亚硝化率，为整个脱氮系统稳定性提供保障。将厌氧氨氧化菌作为自养脱氮菌群，节约了曝气量，并且无需投加外加碳源。本发明可以同时完成污水处理及温室气体收集采样，为使此项技术用于污水深度脱氮处理，实现高效低能耗及温室气体减排提供技术保障。