本发明属于污水生物处理技术领域，尤其涉及一种低碳高效的城市污水深度脱氮同步除磷的方法，本发明通过内源短程反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷的协同作用，提高系统的稳定性，降低污水处理所需的碳源和曝气能耗，并实现污染物氮和磷的深度去除。另外，在厌氧池末端设置膜生物反应器进行泥水分离，同时硝化反应池采用悬浮生物填料的形式，实现双污泥体系的单独控制；同步脱氮除磷反应池中聚糖菌和聚磷菌生长在絮体污泥中，而厌氧氨氧化菌附着在固定生物填料上，便于调控聚糖菌、聚磷菌和厌氧氨氧化菌的协同共存，本发明以低碳高效的方式实现城市污水处理的深度脱氮除磷，稳定性强，适用于新建污水厂及老污水厂的提标改造。