近年来，越来越多的膜分离技术开始用于油田采出水处理。膜分离技术就是利用膜的选择透过性进行分离和提纯的技术。当废水中油粒子粒径为微米量级时，可用机械方法进行前处理。膜法处理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的变化，常温下操作，有高效、节能、投资少、污染小的特点。
常应用于采油废水处理的五种膜分离技术为反渗透(R0)、超滤(UF)、微滤(MF)、电渗析(ED)和纳滤(NF)。微滤由于所需压力小、易清洗、操作费用低等特点，因而应用最为广泛。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，也可作为超滤和反渗透的前处理。
超滤膜技术目前在含油废水处理中应用最多，美国在1991年前后研究了一种陶瓷超滤膜处理采出水用于油田回注。国内华北油田、江汉油田、胜利油田都有应用超滤膜技术的报道。与传统的絮凝分离方法相比，超滤膜处理综合费用更低。但是，用超滤膜处理含油废水时，由于低分子能够穿透滤膜，所以BOD和COD去除率不高，常将超滤透过水再经反渗透(或活性污泥法等生物法)进行深度处理。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
超滤膜的污染与清洗是目前超滤膜技术研究的重点问题之一。中科院上海原子核研究所通过使用表面活性剂对超滤膜进行膜表面改性，来改善膜表面的亲水性，从而有效地降低膜表面的污染。反渗透装置第一次大规模应用于油田采出水处理的是加利福尼亚的圣泡斯废热电站(Mt.PoseCo—generationPlant)。其水处理装置包括除油、澄清、过滤、反渗透脱盐装置，处理后的水用于电站锅炉给水。这套水处理装置成功地将含盐3000mg/L，硅6263mg/L，油3.5mg/L，总有机碳(TOC)16"-一23mg/L的采出水处理到锅炉用水水质。国内有专利报道，将盐析和反渗透结合起来处理乳化油废水，效果良好。加拿大环境废水中心自1990年开始，采用电渗析处理油田采出水，进行了一系列的小型试验，并解决了扩大规模中试中的膜污染和处理高温采出水两大问题。
