炼油废水中的有机污染物降解过程本质上是一系列复杂的物理化学及生物转化反应。从分子层面分析，这类污染物主要包括多环芳烃、酚类化合物、石油烃等难降解有机物，其降解机理可归纳为三个关键阶段：首先是通过表面活性剂的增溶作用或气浮分离实现污染物相转移；随后在氧化还原反应中，羟基自由基（·OH）等活性基团攻击有机物分子中的不饱和键，引发开环断链反应；最终小分子有机物被彻底矿化为CO₂和H₂O。值得注意的是，在厌氧条件下，产甲烷菌群能通过β-氧化等代谢途径将长链烃分解为乙酸等中间产物。

当前主流处理技术呈现多元化发展态势：物理法以膜分离技术为代表，新型石墨烯膜可达到99.2%的COD去除率，但面临膜污染难题；化学法中，非均相Fenton氧化技术通过铁碳微电解产生持续氧化剂，处理成本较传统方法降低40%；生物处理领域，基于好氧颗粒污泥的序批式反应器（SBR）展现出显著优势，其生物量浓度可达8-12g/L，抗冲击负荷能力提升3倍以上。深度处理环节，光催化氧化与生物滤池的组合工艺展现出协同效应，TiO₂改性催化剂的量子效率较常规材料提高60%。技术经济分析表明，电化学高级氧化虽投资成本较高（约120万元/吨水），但其自动化程度和出水稳定性显著优于传统工艺。