生物处理方法按照微生物对氧的需求可分为好氧生化法和厌氧发酵法两大类。好氧处理过程又可以分为三种，悬浊微生物絮系(活性污泥法、生物流化床等)、固定微生物腹系(生物滤池法、接触氧化法、生物转盘法等)、氧化塘法。此外，在工业上有实用价值的还有湿式氧化法、电解絮凝法等。由于含油废水的种类繁多，成份较复杂，油含量及油在水中的形式各不相同，因此水质情况复杂，如采用单一的好氧或厌氧处理，很难达到排放要求，而将厌氧(或缺氧)和好氧处理有效结合的组合工艺处理效果好，有较广泛应用。
生物滤池是目前研究较多的一种工艺，单独使用或与其他工艺联使用。肖文胜等采用上流式曝气生物滤池(UBAF)工艺对炼油废水进行处理，运行结果表明，COD、油类、氨氮、悬浮物(SS)等主要污染物的去除率都超过80%，出水水质达标。陈洪斌等采用悬浮填料生物接触氧化法进行处理，挂膜迅速、生物膜更新快，对COD、BOD5的去除率分别可达50%和80%，油、硫化物、酚等被彻底去除，但氨氮受碱度的影响较大。李源等采用厌氧水解—好氧接触氧化工艺对采油污水进行了处理。研究结果表明，虽然废水BOD5、COD较低，但采用厌氧一好氧联合工艺可以取得较好的处理效果。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
石油废水水质成分复杂，高水温、高矿化度同时限制了处理系统中微生物的增殖，使其可生化性较差，生物处理难度大，当含油废水组份的毒性、抗性和疏水性，油含量过高时直接采用生化处理方法是不现实的。因此，在进行生化处理之前，须采用物理化学方法进行有效的预处理，以满足生化处理的要求。改进现有技术及工艺的不足，利用几种方法联合分级使用，以尽量避免各方法的局限性，发挥各处理单元的优势是生物处理方法发展的主要趋势。