本发明涉及一种聚合物采油污水深度处理系统。本发明属于污水处理技术领域。一种聚合物采油污水深度处理系统，包括隔油机构、缓冲机构、臭氧气浮机构、循环处理反应机构及膜生物反应器；隔油机构油水自然分离进入缓冲机构；缓冲机构的污水经过均质、均量后进入臭氧气浮机构；臭氧气浮机构设有接触区、分离区、出水区、排渣区、出水管道，污水经过絮凝、臭氧化和气浮三重作用后进入循环处理反应机构；循环处理反应机构设有生物选择器、主反应区、集水区、污泥回流管道及曝气管道；膜生物反应器设有膜组件、出水管道和曝气管道，污水经过膜生物反应器生物处理和膜分离后外排。本发明具有处理效率高，出水水质好，结构紧凑，占地小，高效节能等优点。