沉降分离法：
沉降分离法是利用油水两相的密度差及油和水的不相容性进行分离的，属一级处理。沉降分离在隔油池中进行，隔油池主要去除浮油和分散油，为自然上浮的油水分离装置，处理效率约为60% ～80%，出水中含油量约为100 mg /L ～ 200 mg /L。废水中的细小油珠和乳化油则很难去除。常用的有平流式隔油池（ API 油分离器） ，平行板式隔油池（ PPI油分离器） ，倾斜板式隔油池（ CPI 油分离器） ，小型隔油池等。
气浮法：
对于粒径小于100 um 的分散油及密度接近于水的悬浮物质可用气浮分离。气浮法是通过某种方式产生大量的微气泡，使其与废水中油珠粘附，形成密度小于水的气浮体，上浮至水面，进行液－ 液分离。
气浮过程通常为以下三步：
（ 1） 在废水中投加絮凝剂，使细小的油珠及其他微细颗粒凝集成疏水的絮状物。
（ 2） 废水中尽可能多的注入微气泡。
（ 3） 使气泡与废水充分接触，形成良好的气泡－ 絮状物的结合体，成功与水分离。
按气泡产生的方法，气浮可分为加压溶气气浮法，散气气浮法和电解气浮法等。常用为加压溶气气浮法（ DAF） 和散气气浮法（ IAF） 。
粗粒化法：
粗粒化法是使含油废水通过一种亲油、耐油、疏水性质的粗粒化介质，悬浮在水中的微小油滴就会在粗粒化介质表面附着，随着水中油滴不断在介质表面附着，附着的油滴相互碰撞，凝聚成为大颗粒油珠，进而形成油膜，当油膜所受浮力和冲刷力大于附着力时，这些油膜便被分离而上浮除去。属于二级处理。该法适用于处理分散油和乳化油。
此装置具有设备占地面积小，基建费用较低，效率高，结构简单，不需加药，投资省等优点。缺点是填料易堵塞，因而降低了除油效率。此法处理含油废水具有自动化程度高，适应性广，占地少，投资省，运行费用低等优点。但用此法处理含油废水要求进口浓度较低，因此进入设备前的含油废水必须经预处理，否则出水油浓度较高（ 一般高于10mg /L） ，常需再进行深度处理。
过滤法：
过滤法利用颗粒介质滤床的截留及惯性碰撞、筛分、表面黏附、聚并等机理，去除水中油份，一般用于二级处理或深度处理。常见的颗粒介质滤料有石英砂、无烟煤、玻璃纤维、高分子聚合物等。处理构筑物可采用普通快滤池或压力滤池。经过滤处理后，能使油含量小于质量份数。过滤法设备简单、操作方便，投资费用低。但随运行时间的增加，压力降逐渐增大，需经常进行反冲洗，以保证正常运行。如管理不善，滤料容易堵塞。
膜分离法：
膜分离法处理含油废水是利用多孔薄膜为分离介质，截留含油废水中的油及表面活性剂而使水分子通过，达到油水分离目的。膜分离技术的特点是可根据废水中油粒子的大小合理地确定膜截留分子量，且处理过程中一般无相变化，直接实现油水分离。优点是不需投加药剂，二次污染小； 后处理费用低，分离过程耗能少； 分离出水含油量低，处理效果好。最适合于排放要求高、处理量不大的含油废水。
吸附法：
吸附法是利用多孔固体吸附剂对含油废水中的溶解油及其它溶解性有机物进行表面吸附。常用的吸附剂有活性炭。活性炭不仅对油有很好的吸附性能，而且能同时有效地吸附废水中的其它有机物，但吸附容量有限（ 对油一般为30 mg /g ～ 80 mg /g） ，且成本高，再生困难。经吸附法处理后出水油含量可在5 mg /L 以下，因此吸附法一般只用于含油废水的深度处理。
生物化学法：
生物化学法是一种靠有机物生活的微生物来对含油废水进行处理的方法。用含有大量噬烃微生物的活性污泥尚可作为肥料。生物化学法包括活性污泥法、生物滤池、氧化塘法等。含油量在30 mg /L 以下，并含有其他需要生物降解的有害物质时，才考虑使用，一般不只是为了除油。石油炼制厂的含油废水，经物理法除油后，就具备用生物法处理的条件。活性污泥法在国内外炼油厂中被广泛应用。该法处理率高，基建费用较生物滤池法略低，但要求较高的管理技术水平，运行费用较高。
