利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。可以去除废水中粒径小于60μm油滴。作为一种新型的分离技术，膜分离技术既能对废水进行有效的净化，又能回收一些有用物质，同时具有节能、无相变、设备简单、操作方便等特点，因此在废水处理中得到了广泛的应用，并显示了广阔的发展前景。膜法进行油水分离的特征是:①纯粹的物理分离，不需要加入沉淀剂。②不产生含油污泥，浓缩液焚烧处理。③虽然废水中油分浓度变化幅度大，但透过流量和水质基本不变，便于操作。④膜法一般只需压力循环废水，设备费用和运转费用低，特别适合于高浓度含油废水的处理。在含油废水处理中应用的膜分离过程主要有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。
(1)微滤。微滤技术是目前所有膜技术中应用最广泛的一种膜分离技术。其过滤原理和普通过滤相似，属于筛网过滤，即在静压差作用下，小于膜孔的粒子则被截留到膜面上，使大小不同的组分得以分离。微滤主要用于过滤0.1～10μm大小的颗粒、细菌、胶体。微滤法处理含油废水时，主要滤掉废水中大颗粒物质及固体悬浮物。微滤具有操作压力低，对水质的适用性强、占地面积小的优点。但微滤膜用于含油废水的处理还处于工业试验阶段，这主要是因为:①初期投资成本高。②膜的再生清洗工作困难。③在减少清洗次数的情况下，如何长时间维持膜通量的稳定性。大量研究表明，微滤方法处理含油废水工业应用是有很大发展前景的，但关键在不断研究解决以上3个方面的问题。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
(2)超滤。超滤又称为超过滤，其分离原理一般认为是筛分过程。当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶质透过膜，而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高，从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。超滤分离也属于压力驱动膜，其孔径范围为0.05～1nm，用于分离可溶性聚合物、生物分子、分散体和胶体。超滤膜对含油废水的处理效果与含油废水的性质相关。但超滤膜也有相当的不足之处，这主要表现在:①小分子物质能够透过膜，所以对COD和BOD的去除率不高。②界面活性成分透过会把油分带到透过液。③膜的污染和清洗还有待研究。(3)反渗透。反渗透是在浓液的一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把浓液中的溶剂压到半透膜的另一边的稀溶液中，用于从溶液中清除溶解的溶质的一种分离法。反渗透膜的孔径<1nm，水分子能自由的通过这些孔，但溶解的离子和有机溶质不能。这些溶质或是被膜表面截留或是被水相的比膜表面更强的吸附作用吸引。由于膜、溶质和溶剂间的相互作用，水分子选择性吸附于溶剂-膜的界面使分离得以实现。与超滤相比，反渗透可用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质，对于COD和BOD的去除率也大为提高。但反渗透所需的工作压力高，一般大于2.8MPa。反渗透膜很容易被污染，导致废水处理效果和膜通量下降。因此进入反渗透装置的废水一般都要经过预处理，达到一定的指标以后才可进入。
