通过预处理及生物处理后，虽然废水中COD、氨氮、酚类物质等污染物质浓度明显下降，然而生化出水中仍然存在一定量的生物难降解物质，难以达到排放及回用的标准。研究者们考察了吸附法、絮凝法等传统化学/物化处理技术以及电化学氧化、高级氧化等新型化学处理技术对煤化工废水生化出水的处理效果。PengLai采用絮凝法和零价铁工艺对焦化废水进行了深度处理，发现絮凝法在最佳工艺条件下，即絮凝剂Fe2(SO4)3投加质量浓度为400mg/L，pH为3.0~5.0时，COD的最大去除率为27.5%~31.8%;而零价铁工艺在投加10g/L活性炭和30g/L铁，pH=4.0的条件下，最大COD去除率为43.6%。零价铁工艺能够显著提高废水的可生化性，但是两种工艺对生化出水的处理效果均比较有限。XiupingZhu等采用掺硼金刚石膜电极BDD处理焦化废水的生化出水。结果表明，在电流密度20~60mA/cm2、pH3~11、温度20~60℃的条件下，BDD电极对有机物的矿化率接近100%，且在自然或碱性pH条件下，剩余氨氮能够被彻底去除。电化学技术处理效果好、矿化率高，然而往往存在操作困难、投资和运行费用较高的问题。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
近年来，随着煤化工废水回用需求的日益提高，微滤、纳滤、反渗透等膜处理技术获得了越来越多的关注。闻晓今等采用超滤-纳滤组合工艺处理A/O生化工艺的出水，最终出水COD≤60mg/L、NH3-N≤10mg/L、浊度≤1NTU、总硬度≤20mg/L，各项指标均达到《污水再生利用工程设计规范》中对工业冷却用水水质的要求。XuewenJin等采用膜处理技术对某焦化废水处理系统进行了升级改造试验。该厂原本采用的A2O+物化工艺能够有效去除COD、氨氮、酚、氰化物等污染物质，但是出水的COD、硬度、氯离子含量、电导率等参数仍然达不到工业回用水的标准。因此重点考察了中试规模的MBR+NF-RO系统对A2O出水的处理效果。结果表明，MBR系统能够进一步去除废水中的COD，彻底去除废水中的浊度，为后续NF-RO系统的良好运行提供了保障。经反渗透系统后的出水中不含有任何有毒、复杂的有机物，各项指标都能够满足工业回用水的标准。
目前，煤化工废水膜处理回用技术已经在数个实际工程项目中得到了应用，包括伊犁新天年产20亿m3煤制天然气项目、中煤鄂尔多斯能源化工有限公司图克化肥项目(一期年产100万t合成氨、175万t尿素工程)、中电投伊南年产60亿m3煤制天然气项目(一期20亿m3/a工程)以及神华鄂尔多斯煤直接液化项目等。实际运行中，双膜法处理过程产生的浓盐水水量较大，在国内很多生态环境脆弱的区域，需要进一步通过振动膜浓缩、蒸发结晶等工艺才能实现“近零排放”，如大唐克旗煤制天然气项目采用了振动膜浓缩和多效蒸发工艺处理浓盐水。工程运行中，需要重点考虑和解决膜的污染和寿命问题、蒸发设备的腐蚀和结垢问题以及盐渣的处理问题。
