通过除油预处理后的高含油水的含油量已达到30mg/L以下，可以进行包括厌氧反应器、缺氧池、好氧池、中沉池、接触氧化池和二沉池的生化处理，以生物降解方式处理含油废水中的有机物、有害物质等馏物及悬浮物。
生化处理多通过厌氧好氧两段式处理废水方法，采用两段串联的厌氧-好氧(A/O)工艺，以充分发挥两种状态下的各自优势。废水首先在厌氧段的无分子态氧条件下，通过包括兼性微生物的厌氧微生物作用，经水解酸化将废水中难降解的有机物转化成易降解的有机物，把长链的有机物转化成短链的脂肪酸、醇类、醛类等简单的有机物，以提高废水的可生化性。利用厌氧菌作用可去除废水中的部分COD，并在产氢及甲烷菌的作用下，将部分有机物分解转化成H2，CH4，CO2等另种能源。之后，废水进入好氧段，好氧微生物不仅能将废水中的脂肪酸、醇类、醛类、短链烃氧化成CO2，H2O等无机物，还能降低COD和含油量。处理过程中，可在两个池中设置一些弹性填料，池内既有均匀分布的生物膜，又有大量的悬浮污泥，保持比一般直接接触法高很多的生物膜，极大地强化了处理能力，增强了设施的耐负荷性能，提高了生物膜的作用。可通过推流式鼓风瀑气和膜法A/O处理工艺相结合的方法，进行两级生化处理。将经气浮处理后的污水，用污水提升泵送入一级生化池的选择段，其气浮进水先在选择段与二次沉淀池中回流的污泥充分接触，形成活性污泥与污水混合液后，再从瀑气区的鼓风瀑气中获得足够的溶解氧，并进行碳化及硝化反应，污水中的可溶性有机污染物即可被活性污泥吸附，且被活性污泥上的微生物降解。经此将有约75%的COD被去除。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
之后，一级生化池出水自流进入二次沉淀池中进行泥水分离，污泥被回流提升泵回流送入瀑气池前端选择段，出水则自流进入二级生化池。污水在二级生化池中，通过缺氧-好氧(A/O)工艺，选用利于生物膜成长的悬浮球形填料，在进一步去除COD的同时，进行生物反硝化脱氮处理，以保证出水氨氮指标合格。A段池内设置提升式微孔瀑气器进行布气搅拌，利用电动阀门控制并调整间断进气周期时间，将A段空间变成缺氧状态，其溶解氧需控制在0mg/L~1mg/L。O段溶解氧控制在1mg/L~2mg/L。可同样采用提升式微孔瀑气器布气来保证好氧氧化所需的溶解氧。在二级生化池出水进入混凝反应池后，需与投加的聚丙烯酰氨进行充分混合反应，混合反应后的出水再进入混凝沉淀池，进行泥水分离。沉淀池中剩余污泥可由提升泵提升送至三泥脱水罐。经此剩余的COD又可去除71%。新近发展起来的序批式好氧生物处理工艺SBR工艺，是处理高含油有机化工废水新型工艺，其在充氧去除有机物时与普通活性污泥法的机理相同，但在运行时，进水、反应、沉淀、排水及空载5个工序，能在一个反应池中依次周期性运行完成，无需专设二沉池和污泥回流系统，系统可自动进行污泥培养、驯化。
