本发明公开了一种分段供氧自循环脱氮反应器。反应器本体设有布水区、反应区、分离区和循环区，布水区设排泥管和进水管；反应区由三个模块构成分段供氧联合反应系统，模块I下部设进气管，进气管上端设曝气头，模块I上部安装填料，模块II和III的结构与模块I相同，依次串联于模块I上面；分离区设一块纵隔板，分成沉淀室和释气室，沉淀室和释气室一下面设集气室，沉淀室上部设溢流堰、出水槽和出水管，释气室上部设浮渣排放管；循环区设回流液吸管、连结管、调节阀和回流液进管。本发明分段供氧，可满足生物反应需氧，强化短程硝化作用；反应液自循环，避免亚硝酸盐积累所致的生物毒性，并克服基质比例调控难题，提高反应器容积脱氮效能。