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伴随经济快速的发展，能源需要量剧增，给炼油企业带来机遇的同时排放炼油废水量也急剧增加，给当前水资源和环境治理带来了极大压力。炼油废水属于生物难降解废水，仅采用常规的生物处理工艺难以达到回用水标准。当前，我国炼油企业的污水回用率不足35%。通过废水的回用，不仅可以响应国家节能减排的号召，且可带来巨大效益。本文以南方某炼油企业废水生化处理后的出水作为研究对象，采用非均相臭氧催化氧化工艺对其从小试和中试两个层次水平进行研究，并对工艺参数不断优化，通过中试的冲击负荷及连续运行实验验证了非均相臭氧催化氧化深度处理炼油废水工艺具有良好的抗冲击负荷和稳定性，能够满足企业要求的回用水标准。同时简单探讨了非均相臭氧催化氧化工艺的机制。小试水平研究采用浸渍法制备的铜锰氧化物催化剂，通过BET、XRD、SEM-EDS、FT-IR、AAS等手段对其进行表征，证明催化剂的有效成分为CuO和MnO2。针对COD和氨氮的去除效果，考察了非均相臭氧催化氧化体系的影响因素，结果表明，当pH=7、臭氧投加量为50mg/L、催化剂投加量为3g/L、常温下处理效果可以达到回用水要求。且在pH、臭氧投加量、催化剂用量和温度下，COD的降解均符合一级动力学。采用荧光分光光度法和GC-MS手段，对非均相臭氧催化氧化机制进行简单探讨，结果表明：单独臭氧氧化和非均相臭氧催化氧化深度处理炼油废水均遵循自由基机制。催化剂的表面羟基基团在促进臭氧分解产生自由基的过程中起着重要作用。非均相催化氧化工艺可以降解废水中大分子有机物质，尤其是含氮的杂环物质，能将高沸点大分子有机物降解为低沸点小分子有机物质，提高废水可生化性。中试优化后的参数为：停留时间15min、臭氧投加量为50mg/L、pH=6.8。采用上述参数深度处理炼油废水，出水的平均COD<50mg/L、氨氮<6mg/L，满足企业要求，同时吨水处理成本为1.216元，具有显著经济优势。本研究中的非均相臭氧催化氧化工艺是一种新型的炼油废水深度处理技术，具有处理效率高且成本低廉，具有较大的推广前景。