自然处理法就是利用天然水体或土壤生态系统的净化作用降解污染物的技术，应用较多的是人工湿地法与氧化塘法。人工湿地系统是由水体、基质、植被、微生物等四个基本要素组成的一个完整生态系统。而湿地净化污水则是湿地中基质、植物和微生物通过一系列复杂的物理、化学、生物过程共同作用的结果。具体包括水体对污染物的稀释，基质对污水的蓄纳，植物的茎干根系可以最大限度地吸收污染物，同时为微生物的生长提供良好的环境，而微生物可以对污染物进行分解。祝威等采用了水解酸化-好氧人工湿地工艺与水解酸化-人工湿地(进水区曝气)工艺对胜利油田采油废水进行处理，先对采油废水进行隔油、混凝处理，再采用上述两种工艺，结果显示，两种工艺都能很好去除COD,水解酸化-好氧-人工湿地工艺对NH4+-N去除效果好,水解酸化-人工湿地(进水区曝气)工艺硝化及反硝化速率较好,TN去除率高，它们对生态毒性的削减也起了明显的作用，从之前的高毒程度降至低毒程度。杨旭等采用表流人工湿地+聚砜(PSF)膜处理含油废水。研究显示，废水经过人工湿地系统后，含油量由0.0078mg/L降为0.0035mg/L，去除率为53.51%，COD含量由42.75mg/L降为19.07mg/L，去除率为55.82%，同时总氮、氨氮、总磷的平均去除率也分别高达49.70%、54.70%、61.67%。黄翔峰等采用水解酸化/好氧/人工湿地和水解酸化/人工湿地两工艺对某一油田联合站出水进行处理。污水经过隔油和混凝预处理之后，分别进入两种工序，研究表明，前者对COD及NH4+-N的去除率均优于后者，对比可看出好氧段有利于人工湿地的硝化过程进行，水解酸化可提高废水的可生化性，同时该工艺可以有效降解废水中的苯环类有机污染物，然而对十六烷酸与癸烯的处理效果不佳。杨旭等对大庆油田含油污水采用水平潜流人工湿地与超滤膜相结合的方式进行处理。污水依次经过人工湿地系统和浸没式中空纤维超滤膜，结果表明，当进水流量为1.2m3/d，对VDF超滤膜施加0.2MPa压力时，出水水质情况较好，效果明显好于仅采用人工湿地处理。氧化塘是由水体、水生植物(主要是藻类)、微生物等三个基本要素组成的一个完整的生态系统。氧化塘法处理污水是指水体对污染物稀释，微生物将污染物分解为无机物(磷酸盐、铵盐等)为藻类提供营养，藻类通过光合作用为细菌提供O2，从而实现体系的稳定运行。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
氧化塘有三种，包括好氧塘、厌氧塘和兼性塘。师祥洪把粉煤灰吸附与氧化塘相结合处理河首站采油废水，研究表明，粉煤灰可以很好地吸附石油类、COD、氨氮、挥发酚等污染物,再让污水通过氧化塘生化处理，效果非常显著,使现河首站废水完全实现达标排放。大港油田采用氧化塘法对油田污水进行降解，先使污水中浮油在隔油池中被除去，再通过曝气池生化反应区及沉淀池，最后依次通过兼性塘和好氧塘，运行实践表明，处理效果明显，污染物去除率逐年提高。其中的COD、石油类、SS去除率由2000年的43%、51%、-14%分别提高到2004年的77%、98%、26%。最明显的优势是投资少、运行费用低。胜利油田桩西采油厂使用芦苇氧化塘对外排废水进行处理，取得了不错的效果，在原有处理工艺的基础上增加的降温曝气沟和氧化塘，使得废水中的COD、BOD、挥发酚、硫化物等主要污染物含量降到符合外排水质标准。通过改变生化条件，来观察氧化塘对污水的处理效果，研究表明，当HRT为6d时，可有效去除进水中COD以及石油类，其去除率分别高达到85%、82%，并且随着HRT的时间延长去除率亦逐渐增高。
