本发明公开了一体流态化催化氧化塔及应用其深度处理废水的方法。该催化氧化塔的均衡调节单元通过管道与设置在催化氧化单元底部的布水管连接；催化氧化单元上部外侧设有循环水槽，循环水槽的外侧设有中间水槽，循环水槽的顶部通过溢流口与中间水槽连接；中间水槽通过管道与混凝沉淀单元的布水管连接，集水池通过管道与均衡调节单元连接；均衡调节单元通过第一溢流管与集水池连接，中间水槽通过第二溢流管与集水池连接；出水槽的出水口通过出水管与清水池连接。本发明有效提高了传质效率和化学反应的速率，提高了废水中有机污染物氧化降解的效果；可减少Fenton试剂使用量，减少后期混凝过程中化学污泥的产量。