本发明涉及环境保护，具体的说是一个利用改性活性污泥两段式处理硝酸盐污染饮用水的方法及其装置。本发明将反硝化处理分成两个阶段，原水首先进入第一个TiO₂改性的反硝化活性污泥反应器中，控制碳源添加量，部分还原硝酸盐，并产生亚硝酸盐累积；然后进入第二个TiO₂改性的反硝化活性污泥反应器中，补充添加碳源和氢气，将剩余硝酸盐和产生的亚硝酸盐还原为氮气；反硝化处理的出水进入沉淀池内，含有TiO₂的沉淀物酸碱处理后，注入第一个反硝化活性污泥反应器，形成TiO₂循环利用。沉淀池的出水经过臭氧消毒和活性炭过滤后，pH和碳酸氢盐碱度适宜，硝酸盐、亚硝酸盐和水溶性有机物的浓度符合饮用水安全标准。这种基于TiO₂改性活性污泥法的处理工艺，非常适合规模化处理硝酸盐污染饮用水。