本发明是一种深度处理石化废水二级生化出水的处理装置，包括分解槽，分解槽内设有将分解槽分为处于上方的臭氧催化氧化区和下方的臭氧尾气分解区的密封隔板，臭氧催化氧化区通过进水管路与废水二沉池连接，分解槽内设有从臭氧催化氧化区上部通入臭氧尾气分解区内的溢流管，在臭氧尾气分解区底部设有锰沙或陶瓷填料，臭氧尾气分解区上设有出水管路；臭氧催化氧化区底部固定设有臭氧曝气器，臭氧曝气器通过臭氧管路与臭氧供给机构连接；出水管路接入曝气生物滤池或其它后续设备。本发明还公开了一种深度处理石化废水二级生化出水的方法。本发明可以深度处理石化废水二级生化出水，处理效率高，处理出水稳定达标，其投资少，运行成本低。