本发明公开了甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，包括筒体、及位于筒体上方的三相分离器，三相分离器包括外筒和内筒两层筒体，内筒位于外筒内，外筒和内筒底部均开口，外筒底部分为相连的上段和下段，外筒底部上段向内收缩，外筒底部下段向外扩张并形成一级挡板，内筒的下部向外扩张形成二级挡板，外筒的上段和下段伸入筒体空腔内，三相分离器内分为气室区、气体缓释区、沉淀区和回流区四个区域，外筒上在位于回流区上部位置一周上设有周边出水堰。本发明还公开了废水处理方法，通过控制不同阶段内的C/N值，可在单一反应器中同时实现反硝化和产甲烷。本发明优点：能同时深度去除废水中有机物和氮，去除效率高，并能产生能源甲烷。