一种吸附分离低浓度金属离子和小分子污染物的水处理装置，包括中空纤维膜组件、动力泵、超声波分散器和污染物浓度在线监测仪等组件，装置分为污染物吸附系统和污染物脱附系统，其中污染物吸附系统由待处理液循环回路和吸附液循环回路组成，污染物脱附系统由待脱附吸附液循环回路和脱附液循环回路组成。本发明操作简单、运行成本低廉、处理效率高、吸附/脱附连续化、一体化，避免了吸附剂分离困难造成的二次污染。