生物处理过程中，利用微生物的生物化学作用，将复杂的有机物分解为简单物质，将有毒物质转化为无毒物质，使污水得到净化。其中选择适宜的COD∶N∶P的比例是保证生化效果的关键所在。实验表明厌氧池按照COD∶N∶P=(300～400)∶5∶1，好氧池按照COD∶N∶P=(100～200)∶5∶1这样污泥增加较快，处理效果良好。但实际进水水质变化较大，氨氮最高为35mg/L，最低时只有3.5mg/L;总磷最高为1.4mg/L，最低时不足0.2mg/L。因此在运行中应对总磷、氨氮、COD进行分析，结合实际生产状况进行不断调整，是否加入微生物营养物质、何时加入，这些都需要通过试验来完成。如果COD、含油符合要求可不加入，但提高处理负荷时，应根据生产实际进行调整，确保出水水质要求。针对微生物好氧与否，生物处理法可分为好氧生物处理法和厌氧生物处理法。
好氧生物处理法
好氧生物处理是在水中有充分溶解氧的情况下，利用好氧微生物的活动，将污水中的有机物分解为CO2H2O、NH3和NO3-等。一般好氧反应又分为活性污泥法、生物膜法(生物滤池、生物转盘、生物氧化塔)、接触氧化池法、氧化塘法等。Li等通过用PVA生物固定法处理大庆油田的污水，COD由原来的2600mg/L降到240mg/L，并且固定后的微生物可以重复循环利用，增加了处理过程中降解菌的利用率。李希明等通过一级气浮预生化单元，去除大块浮油;四级生化处理单元，降低污水中聚合物含量，并去除污水乳化油和溶解油，降低污水含油量和COD值;二级沉降单元，沉降细菌体或生物除氧的工艺实验流程。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
试验结果表明，经过预生化后污水COD大幅度降低，后经过多级的生化处理COD值在逐级降低，最后沉降后污水的COD在110mg/L以下。佘跃惠等通过常规的微生物学方法分离到除SRB和TGB以外的7株PAM降解菌，COD降低幅度达到了97.9%。陈进富等采用活性污泥法处理绥中某油田采油废水时，采油废水经72h曝气生化处理其COD也降低了26.4%以上。包木太等利用气浮生化超滤装置处理稠油污水，生化后含油降到了20mg/L，COD的去除率达到了87.5%。还有巴西的Freire等应用SBR工艺对油田采油废水进行生物处理试验，COD的去除率在50%以上。
厌氧生物处理法
厌氧生物处理的主要特点是可以在厌氧反应器中稳定保持足够的厌氧生物菌体，使废水中的有机物降解CH4、H2O和CO2等。厌氧反应器主要有厌氧活性污泥法、厌氧滤池法、升流式厌氧污泥床(UASB)、内循环反应器(IC)和膨胀颗粒污泥床(EGSB)等。竺建荣等用厌氧USAB和AAA结合的工艺来处理预先经气浮处理的废水。试验表明，UASB反应器的COD去除率均保持在60%左右。经过厌氧UASB反应器处理后的废水，再经AAA工艺处理，COD去除率在31%～48.5%。赵洲洋等研究了厌氧好氧耦合生物体系对含酚废水的处理效果，模拟含酚废水的COD由4g/L降至100mg/L，最快降解速率达到720mg/(L·h)。