利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质，有活性污泥法、湿地处理等。活性污泥法是通过油类降解微生物去除水中污染物，运行费用低，操作简单，但需要氧化，大容积滤池，处理产生 污泥，可去除悬浮固体和痕量固体、氨、硼、重金属等。湿地处理通过动植物群天然氧化分解污染物，对溶解态和悬浮态杂质去除效果好，但停留时间长，维护费用高，易受温度、pH影响，且需要后处理分离微生物、沉淀固体、溶解性气体等。由于油田采出水水质的复杂性，往往需要采用几种方法的组合，才能处理不同性质的污染物，使采出水达到回注与排放标准。在油田采出水处理工艺发展的过程中形成了一系列的组合工艺：
(1)对于传统水驱采出水，开发出常规工艺系列，重力除油+过滤、压力除油+过滤、旋流除油+过滤、悬浮污泥床净化+过滤，目前大部分尚未改造的采出水处理装置都包含在这类工艺中。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
(2)对于含聚废水，由于采出水中聚合物、表面活性剂的存在，使得油水乳化，黏度增大，处理难度加大。针对此类水，胜利油田新开发出了DNF氮气气浮、HCF高梯度聚结气浮、序批式除油等工艺，外输原油含水一直保持1%以下，污水站进水含油维持在1000mg/L以下，外输水含油保持在100mg/L以下。并研发了非离子型综合处理剂，以第二极小值作用原理发挥界面疏导作用，实现了W/O、O/W界面靶向用药。
(3)目前广泛应用CO2驱油技术，驱采废水含有大量的溶解性CO2，使得腐蚀结构加剧，对采出水水质状况影响较大，目前对于油田采出水中CO2的去除正处于研究阶段。杨向平[24]等采用氮气气提工艺处理含碳废水，处理效果明显，出水CO2余量可降低至零。