目前比较常用的的油水分离方法主要有膜法分离、重力式分离、离心式分离、电分离、吸附分离、气浮分离等。
（1）膜法分离 GTM膜是一种新型的无机管式膜组件，这种膜组件是通过高温烧结工艺制作一种非对称结构的无机膜元件。因为其亲水性好、化学和热稳定佳，可以广泛应用于油水分离、强酸强碱和高温极性PH等应用领域。大庆金浦瑞环保科技有限公司引进GTM膜，主要应用于含油废水处理，并且有很多成功案例。
（2）重力式分离 由于油、气和水的相对密度不一样,有一定比例的油水混合物在标准大气压和常温下,当含油废水水处理系统处于平衡时，油、水、气就会分层。当密度较轻的组分处于层流状态时, 组分较重液滴根据George Gabriel Stokes公式的运动规律沉降,重力式沉降分离型设备就是根据George Gabriel Stokes基本原理进行设计。由斯托克斯公式得出组分沉降速度与油中水分子半径的平方成正比,与水油溶液的密度差成正比,与油的粘度成反比。通过增大水分密度,扩大油水密度差,减小油液粘度可以提高沉降分离速度,从而提高分离效率。
经过进一步的探索,1904 年Hazen 根据实践经验提出了“浅池理论”,即在重力沉降过程中,分散而非结绒颗粒的沉降效果以颗粒的沉降速度与池面积为函数衡量,与池深、沉降时间无关,也即提高沉降池的处理能力有两个途径:一是扩大沉降面积,二是提高水分沉降速度。提高水分沉降速度的措施可以通过斯托克斯公式得出,扩大沉降面积的措施是在容器内设置多层水平隔板。以这一理论为基础, 1950 年美国壳牌公司研制成功第1 台平行板捕集器,其可去除水中最小为60靘 的油滴。上世纪70 年代Fram 公司开发了V 型板分离器,上世纪80 年代CE NA TCO 公司开发了板式聚结器,这是一种错流式组合波纹板,经过不断改进,这种设备在油气分离、油水分离和含油污水净化方面都得到了应用。
在较为深入研究油水分离机理的基础上,根据相应理论研制出了高效蒸发设备,其按分离过程大体分为预分离室、沉降分离室以及油室和水室三部分。预分离室内一般设有蝶形转向器和均质布液板,其原理是通过多次改变油水乳化液的运行方向和流速,强化机械破乳作用,从而进一步加快油水分离速度。通过活性水洗涤可以大大降低乳状液界面膜强度,由于乳化液与水层间的剪切和摩擦作用,使其界面膜破裂,从而促进液滴聚并,使其粒径变大,加速油水分离。沉降分离室主要起进一步分离净化的作用,油水分离器是设计的关键。
AOS TYPE技术正是利用重力式分离这一原理，成为目前国际领先的油水分离技术，能在有油污产生的变电站、储油所、炼油厂等的污水管路和排水管路上简单安装的产品，是不需要使用动力，几乎没有设施维持管理费用的优越的产品，目前在韩国、日本、东南亚等国家逐渐被广泛使用，正在逐渐成为油污废水中，油水分离领域的主流技术。目前国内拥有此技术的企业为金浦瑞环保科技，金浦瑞环保科技为油水分离行业专业环保企业。
(3) 离心分离 利用油水密度的不同,使高速旋转的油水混合液产生不同的离心力,从而使油与水分开。
由于离心设备可以达到非常高的转速,产生高达几百倍重力加速度的离心力,因此离心设备可以较为彻底地将油水分离开,并且只需很短的停留时间和较小的设备体积。由于离心设备有运动部件,日常维护较难,因此目前只应用于试验室的分析设备和需要减小占地面积的场所。
利用离心分离原理工作的一种主要设备是水力旋流器,它用于将作为连续相的液体与作为分散相的固粒、液滴或气泡进行物理分离的设备。分散相与连续相之间的密度差越大,两相就越容易分离。与重力场中的情况类似,在两相之间的密度差一定的条件下,分散相的颗粒直径越大,在重力场中达到平衡状态时两相之间反向运行的速度差越大,因此就越容易分离。
(4) 电脱分离电蒸发 作为油水处理的最终手段,在油田和炼油厂得到广泛应用,其原理是乳状液置于高压的交流或直流电场中,由于电场对水滴的作用,削弱了乳状液的界面膜强度,促进水滴的碰撞、合并,最终聚结成粒径较大的水滴,从原油中分离出来。由于用电蒸发处理含水量较高的原油乳状液时,会产生电击穿而无法建立极间必要的电场强度,所以,电脱法不能独立使用,只能作为其它处理方法的后序工艺。
(5) 乳化水的粗粒化蒸发 利用油水对固体物质亲和状况的不同,常用亲水憎油的固体物质制成各种蒸发装置。用于油水分离的固体物质应具有良好的润湿性。适合这种要求的材料有:陶瓷、木屑、纤维材料、核桃壳等。例如大港油田的陶粒蒸发器,用陶粒作填料,当油水混合物流经陶粒层时,被迫不断改变流速和方向,增加了水滴的碰撞聚结几率,使小液滴快速聚结沉降。
(6) 气浮分离 气浮法是依靠水中形成微小气泡,携带絮粒上浮至液面使水净化的一种方法。条件是附在油滴上的气泡可形成油气颗粒。由于气泡的出现使水和颗粒之间密度差加大,且颗粒直径比原油油滴大,所以用颗粒密度代替油密度可使上升速度明显提高。