本发明提供了一种稠油炼化污水预处理的方法及装置，所述的方法是采用“均质沉降-破乳除油除硫-混凝沉降除硫-一级臭氧氧化-二级臭氧催化氧化”的技术路线对稠油炼化过程中产生的高含油重度污染污水进行预处理，其中所述“均质沉降-破乳除油除硫-混凝沉降除硫”工序主要是通过物化手段最大限度地回收稠油资源，去除泥渣、SS等非溶解态污染物，之后水样进一步经过一级臭氧氧化-二级臭氧催化氧化处理，降低水质的急性生物毒性，并提高生物降解性能。经本发明预处理后的污水满足一般炼油污水场生化处理工艺的进水要求；并且，本发明在预处理稠油炼化污水时，还可实现回收油类资源、消除恶臭气体污染等多种功能。