含油废水经隔油、浮选等处理后, 出水油含量一般仍高达20 ～ 30 mg/ L , 若废水中存在溶解性有机物, 则COD 和BOD 也很高, 达不到国家规定的排放标准, 尚需进行二级处理。二级处理主要采用活性污泥法和生物滤池法。生物处理法近年来已有不少改进, 新的发展包括曝气塔、深井曝气、纯氧曝气以及循序间歇式生物处理 等, 这些方法都不同程度地提高了对含油废水的处理效率。

近年来, 针对传统的活性污泥法在治理石油化工污水方面, 对水质变化和冲击负荷的承受能力较弱, 易发生污泥膨胀、中毒等特点开展了大量的工作, 旨在对传统的活性污泥法进行革新。如半推流式活性污泥系统, 集前段的多点进水和后段的推流式于一体, 具有抗冲击负荷强、处理深度大、不易产生污泥膨胀、运行费用低等特点, 已在饮料、印染、化工、综合废水处理方面得到了成功应用, 在含油废水领域的应用也取得了良好的效果。厌氧序批间歇式反应器(ASBR)是20 世纪90 年代在“厌氧活性污泥法” 等研究基础上提出并发展的一种新型高效厌氧反应器。它由一个或几个ASBR反应器组成。运行时, 废水分批进入反应器中, 经过与厌氧污泥发生生化反应, 到净化后的上清液排出, 完成一个运行周期。它具有固液分离效果好、出水澄清、工艺简单、占地面积少、建设费用低、耐冲击负荷大、适应力强、温度影响小、适应范围广(5 ～ 65 ℃)、活性污泥好及处理能力强等优点。ASBR 法能够直接处理高浓度有机废水, 如酿造废水、造纸废水、制革废水和医药废水, 将在含油废水处理领域具有良好的应用前景。

生物膜处理含油废水近年来取得了较大的进展, 为了提高生物滤池的效率, 采用了高孔隙率、高附着面积和高二次布水性能的新型塑料模块, 同时对滤床上微生物进行选择、优化。此外, 还在工艺上进行了改进、重组, 如取消滤池回流系统, 采用膜泥法A/O 工艺, 以及缺氧-好氧高性能生物滤池组合工艺等, 即传统的初沉池预处理被厌氧或缺氧水解池取代, 如某油田针对采油污水可生化性能差的特点, 采用厌氧水解-高负荷生物滤池进行污水处理, 使BOD 、COD 和油达到了排放标准 。另外, 最近出现了微孔膜生物反应器, 该装置用无机微孔膜组件替代沉淀池, 实现泥水分离,可大大提高反应装置内的污泥浓度, 有利于提高反应器的容积负荷, 减小占地面积。该装置具有处理效果稳定, 抗冲击负荷能力强, 操作简便等特点。