先将炼油废水进行隔油、气浮等物化预处理，去除废水中含有的全部浮油、大部分乳化油及其他固体悬浮物，尽可能减小后续生化处理系统污染物负荷。
经过预物化的废水进入到三段式生化接触处理系统。每段生化接触处理系统中均布置有弹性填料，池底部均设有微孔曝气系统。炼油废水水质与每批次入厂原油品质密切相关，因此*段生物接触池为缺氧、好氧两用生物接触池。当废水水质较好时（COD≤350 mg/L、NH3-N≤45 mg/L），*段生物接触池设为缺氧生物接触池，与之配套的大功率罗茨鼓风机关闭，而池底的小功率潜水搅拌机启动，实现低功耗运行，全池溶解氧质量浓度＜0.2 mg/L，呈缺氧状态。此时发生前置反硝化反应。当废水水质较差时（COD＞350 mg/L，NH3-N＞45 mg/L），*段生物接触池切换为好氧生物接触氧化池，与之配套的罗茨鼓风机启动，潜水搅拌机关闭。此时三段生物接触池虽然均为好氧生物接触氧化池，但各段发生的主要反应类型不同，反应控制条件不同，优势菌种不同，主要削减污染物类型也不同。*段主要去除硫化物等小分子污染物，第二段主要去除挥发酚等有机污染物，并向其中定量投加磷酸盐，以调整补充微生物必需的营养物质，第三段主要去除氨氮，根据pH控制器反馈的数值，由PLC控制计量泵向其中定量投加氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液，补充硝化反应所需碱度，并调整系统pH在7.5~8.0，使其处于硝化反应的zuijiapH范围。
当废水水质较好时，第三段处理出水部分回流至*段生化池（此时为缺氧反应池），由电磁流量计测定流量，阀门调节回流比在50%~。*段生物接触池完成前置反硝化反应，可降解约25%有机污染物，同时增加水中碱度，有效减小第三段加碱量，节省药剂费用。当废水水质较差时，第三段处理出水回流量减小，甚至关闭回流，以保证废水在系统中呈推流式流态，保证各段的反应推动力和实际停留时间。
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