本实用新型公开了一种控制梯度溶解氧分布的复式曝气装置，属于污水处理技术领域，包括污水处理装置本体，污水处理装置本体的顶部设置有检修孔，污水处理装置本体一端设置有进水管，另一端设置有出水管，污水处理装置本体内部通过设置第一隔板、第二隔板、第三隔板把污水处理装置本体内部分隔为缺氧区、厌氧区和曝气区，曝气区填装有纳米改性柔性填料，曝气区的侧边上设有微孔曝气进气管和穿孔进气管。本实用新型通过穿孔管和微孔曝气管相结合的复式曝气方法，可确保传质充分、充氧效率高、脱氮效果好，而且纳米改性柔性填料具有发达的孔隙结构，从表面向内部逐步形成一个溶解氧梯度，实现短程同步硝化与反硝化，提高系统的脱氮效率，确保出水稳定达标。