一种地下水微生物脱氮系统，包括依次连接的脱氮处理池、活性炭滤池和消毒池；脱氮处理池由异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池串联组成，异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池的体积比为1:3，异养生物脱氮池内悬挂有填料，氢自养生物脱氮池中设置有中空纤维膜组件、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪、氢气管路和二氧化碳管路，氢气管路和二氧化碳管路上均设置有控制阀门，氢气管路与中空纤维膜组件连接，氢自养生物脱氮池内设置有颗粒填料，氢气管路上的控制阀门、二氧化碳管路上的控制阀门、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪均与PLC控制器连接。该系统实现了自动调控，处理效率高，操作安全方便，具有氢气利用效率高、成本低、无二次污染的特点。