生化出水水质一般能够达到国家一级水的排放标准，但是要达到油田低渗透油层回注用水、锅炉蒸汽注采用水甚至更高的标准，就必须利用膜分离技术处理。其中应用最多的有膜生物反应器、微滤、超滤、还有反渗透等技术。
膜生物反应器(MBR)处理技术
膜生物反应器按照膜组件所起作用不同分为三类：分离膜生物反应器、无泡膜生物反应器和萃取膜生物反应器，膜生物反应器在污水处理中显示了其独特的优越性。Chiemchaisri等分别采用板式和中空纤维MBR工艺处理城市生活污水，水力停留时间(HRT)为24h，进水COD为60～490mg/L时，其去除率分别为大于93%和80%～98%。南京工业大学的陈英文等对混凝-膜生物反应器工艺处理印染废水的研究，混凝后COD的去除率平均达75.1%，再经仿生膜生物反应器处理，出水COD低于50mg/L，COD去除率为96.2%，达到部分回用水标准。
微滤超滤处理技术
超滤到微滤的孔径范围在0.001～10μm。目前油田应用较多的是陶瓷膜和中空纤维微滤膜。1995年，美国Aloca公司在墨西哥湾采油平台进行陶瓷微滤膜试验，进口含油量25～283mg/L，出口含油量降到所用分析方法能够测定的极限值;COD值降低幅度为98.3%。徐晓东等采用无机陶瓷膜处理设备处理宝浪油田采出水，处理后的采出水完全能满足宝浪油田注水水质要求。COD值从最初的603mg/L降到50mg/L。天津纺院与大港石油管理局勘探设计院合作，用自制的化学稳定性好、机械强度高的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜对油田采出含油污水进行了初步净化处理，处理后含油小于3mg/L，COD值降幅达95%。
Karakulski等用管状超滤膜处理含油废水，出水含油量低于10mg/L，COD去除率为80%，进一步用反渗透膜处理后COD去除率达到98.5%，悬浮物去除率达到95.7%，出水可作为工业回用水。王立国等采用核桃壳过滤器-超滤装置组合工艺处理油田含油污水，处理后水中油的质量浓度由115.70mg/L下降为0.33mg/L，COD也降低了在98.7%。裴亮等用聚丙烯腈(PAN)为中空纤维膜(hollowfibemembrane，HFM)材料，与粉末活性炭(PAC)联用，进行了微污染水COD处理的实验研究。研究证明，添加PAC的量不同时，其COD的去除率是不同的，但是每个样品的去除率都达到了65%以上。
反渗透处理技术
反渗透是用于从溶液中清除溶解的离子之类溶质的一种分离法。对油田高矿化度水质，采用反渗透是有广阔应用前景的技术。CynthiaMurray-Gulde等利用反渗透技术与构造湿地相结合，对高含盐油田采出水进行处理。处理后，水的毒性大大降低，电导率和TDS分别降低了98%和96%，水质达到了当地的灌溉和排放标准。1993年美国的Tao等在SanArdo油田采用化学澄清、石灰软化、调节pH值、浮石过滤器、沸石软化器、弱酸离子交换器、筒式过滤器、反渗透、好氧生物处理以及钠吸收装置等一系列处理后，将采出水转化为清水。RO系统处理规模为27m3/d，中试成功的将TDS含量7000mg/L、硅含量250mg/L和溶解油含量170mg/L的采出水处理后，达到饮用水标准。
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