本发明提供了一种非均相芬顿废水处理装置，包括：反应器壳体，反应器壳体内由下向上依次分为布水区、填料区、分离区和清水区；第一分配区，设有双氧水投加口，第一分配区经管道连接至所述填料区内；第二分配区，设有硫酸亚铁投加口和废水进水口，第二分配区经管道连接至布水区内；其中，第一分配区和第二分配区的管道上均设有循环泵，布水区与填料区之间设有可供水流通过的承托板，填料区内填充有催化剂填料；清水区上方设有排渣系统、喷淋器。该装置可避免了大量双氧水和硫酸亚铁同时混合造成的羟基自由基自身淬灭问题，可提前活化废水，有效提高双氧水的利用效率，防止浮渣和浮沫累积造成出水恶化，保障废水处理效果。