本发明公开了一种一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置及方法，装置包括：装有好氧污泥的主体反应器，在主体反应器的进水口通过进水泵连接储液罐；设于所述主体反应器内底部的曝气装置；设于所述主体反应器内曝气装置上方的且采用死端过滤的膜过滤系统，所述膜过滤系统包括表面涂层为过滤层的微滤膜和分别安装在微滤膜两端的膜组件；通过抽水泵连接微滤膜一端膜组件的清水罐；以及连接至微滤膜另一端膜组件的臭氧发生器；抽水泵管路和臭氧进气管路上均设置阀门。本发明解决膜堵塞问题；同时残留的臭氧分子能够对膜出水进行进一步的氧化，提高其出水品质；同时实现出水的深度处理与缓解膜生物反应器运行过程中的膜堵塞问题。