膜分离技术是利用特殊制造的多孔材料的拦截作用，以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的污染物。以压力差为推动力的膜分离过程一般分为微滤、超滤和反渗透3 种。膜分离技术的特点是：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变化，直接实现油水分离；不需投加药剂，所以二次污染小；后处理费用低，分离过程耗能少；分离出水含油量低，处理效果好。但仍需要利用不同的材料及方法制备出性能好又经济的新型膜并对现有的处理工艺进行改进，进而克服该技术的一些（如热稳定性差、不耐腐蚀、膜容易被污染、处理量小等）缺点。另外，单一的膜分离技术并不能很好地解决含油废水的处理问题，需要将不同的膜分离技术联合或是将膜分离技术同传统方法联合处理含油废水，如超滤和反渗透联合、盐析法和反渗透联合、超滤和微滤联合等多种方法。

  采用由无机纳米级矾土修饰的聚亚乙烯基氟化物膜来净化含油废水。结果显示，经过超滤处理后，油含量低于1 mg/L，悬浮固体含量低于1 mg/L，固体颗粒平均直径小于2 μm，达到了回注标准，而且加入纳米级的矾土颗粒还能够改善膜的防污染性能。将用挤压方法获得的管状碳母体碳化而成微孔过滤碳膜，造价低，适用于处理含油废水。在最佳工艺条件（孔径为1.0 μm；操作透过压为0.10 MPa；流通率为0.1 m/s）下处理含油废水，油去除率高达97%，油含量低于10 mg/L，达到了国家废水排放标准。通过在超滤过程中注入气体，均相的油/水乳状液变成气液两相，从而提高了膜流通量。考察了透过膜压力对渗透量、有机和无机混合物残留量的影响，并研究了废水的超滤过程中原料浓度对渗透量和油去除率的影响。结果处理第一阶段后油含量达10×10－6 以下，悬浮固体及浊度基本去除。处理第二阶段TOC 去除率达70%以上，阳离子和SO42－阴离子去除率达90%以上，证明超滤-反渗透法具有较高的净化效率。新型膜及新工艺的不断出现使膜分离技术在含油废水处理中的应用越来越广泛。