本发明公开了一种基于臭氧和生物膜颗粒污泥反应器的废水深度处理装置，包括：集水池、臭氧反应器、均衡调节池、第一水泵、第二水泵、第三水泵、序批式生物膜颗粒污泥膨胀床反应器以及废水回用处理装置；集水池通过第一水泵与臭氧反应器连接，臭氧反应器通过第二水泵与均衡调节池连接，均衡调节池通过第三水泵与序批式生物膜颗粒污泥膨胀床反应器连接；废水回用处理装置包括：第一水池，第二水池、第三水池、第四水泵、第五水泵、第六水泵、多介质过滤器、超滤膜系统和反渗透膜系统；本发明利用臭氧催化氧化和生物膜颗粒污泥反应器生物处理的协同效应，增强了对废水中难降解有机污染物的降解去除效果，降低了处理成本，提高了废水深度处理的效率。