本发明涉及一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应系统与装置。该方法主要是将臭氧催化反应与膜分离功能相耦合，通过在无机膜的表面负载催化剂，使催化氧化反应与膜分离两个过程集成在一个单元设备中进行，更有选择性的富集与处理废水中难降解有机污染物，并通过膜的分离过滤，将处理后净水迅速移出体系，并在膜的原液侧富集未完全分解的高分子有机物，从而打破浓度平衡的限制，提高反应效率，在较温和的条件下获得较高的处理效果。该发明中的膜催化技术可用于处理多种有机废水，不受废水温度和生物毒性的影响，其载体型的膜催化剂呈现出耐高温、耐化学稳定性、机械强度提高、催化寿命延长的特点。