本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种臭氧催化氧化废水处理设备及废水处理方法。本发明提供的处理设备为塔式结构，塔顶设置有尾气排放口和废水进口，塔底设置有回流水入口和出水口，塔体侧壁设置有回流水出口和臭氧进气口；塔体内由上至下依次包括：雾化喷淋装置、催化滤料层和臭氧催化氧化膜曝气流化床；臭氧催化氧化膜曝气流化床中至少设有一层催化膜曝气装置，催化膜曝气装置包括：臭氧进气底座；若干根一端与臭氧进气底座的出气口固定连通的中空纤维膜丝；和与中空纤维膜丝相结合的臭氧催化剂。本发明提供的处理设备能够提高臭氧、催化剂、废水三相混合传质效率，臭氧利用率高，降解效果好，并同时实现臭氧尾气的协同处理。