本发明公开了一种生物膜强化脱氮装置。生物膜强化脱氮装置主要由主反应器和沉淀池组成；主反应器主要由外筒、内腔I、内腔II和顶盖构成；外筒的内部上下分层；内腔I和内腔II为中心对称结构，且分别位于外筒内部的上层和下层；生物膜强化脱氮装置运行时，在主反应器内填充10%‑30%倍体积的生物填料；生物填料由不同粒径级配的多孔材料组成。本发明利用生物填料支撑附着生物膜和优化微生态环境，实现了脱氮装置内分层内循环、分区控制溶解氧和微生物种类及污泥浓度，有利于优化多种脱氮功能微生物空间分布和大量蓄积、充分发挥其活性，具有结构紧凑、成本低廉、操作简单、易于控制、污泥不易流失、能耗低且长期运行性能稳定的特点。