本发明公开了一种自养反硝化脱氮反应装置，包括壳体，及壳体内的限氧亚硝化反应区、异养反硝化产气区与升流自养反硝化区；壳体上设有进液口与出液口，进液口与限氧亚硝化反应区连通；出液口与升流自养反硝化区连通；限氧亚硝化反应区设置在壳体上半部的中央区域；异养反硝化产气区设置在限氧亚硝化反应区的下方区域并与限氧亚硝化反应区连通；升流自养反硝化区环绕在限氧亚硝化反应区的四周，底部与异养反硝化产气区连通。本发明还公开了一种自养反硝化脱氮系统及其脱氮方法。本发明具有效率高、负荷大、操作方便的特点，运行费用低，无需外加大量碳源，易于实现自动控制，对于高氮低碳废水总氮的达标处理和高效低耗运行具有实际应用价值。