一种炼厂重油裂解废水脱臭处理系统，包括依次连接的废水罐、进气管、一级循环曝气生物反应器、二级循环曝气生物反应器、泥水分离罐及出水罐。本发明还公开了利用该脱臭处理系统进行水质处理的方法。与现有技术相比，本发明的优点在于：采用循环曝气生物反应器来处理废水脱臭处理，处理后、COD明显降低、恶臭明显减轻，可以到达废水预处理目的，能有效地降低对污水处理场的冲击。