1.气浮分离
气浮法是一种依靠在水中形成小气泡，将絮状物漂浮到液位净化水的方法。条件是附着在油滴上的气泡可以形成油气颗粒。
由于气泡的出现增加了水与颗粒之间的密度差，颗粒直径大于原油油滴，因此用颗粒之间的密度代替油密度可以显著提高上升速度。也就是说，当一个气泡(或多个气泡)附着在一个油滴上时，可以增加垂直上升速度，从而去除直径比50μm小得多的油滴。
2.重力式分离
由于油、气、水的相对密度不同，在一定的压力和温度下，组分必须是油水混合物。当系统处于平衡状态时，会形成一定比例的油、气、水相。当相对较轻的成分处于层流状态时，根据斯托克斯公式的运动规律，重力沉降分离设备是根据这一基本原理设计的。
根据斯托克斯公式，沉降速度与油中水分半径的平方成正比，水油密度差与油粘度成正比。通过增加水密度，扩大油水密度差，降低油粘度，可以提高沉降分离速度，从而提高分离效率。
经过进一步探索，Hazen在1904年根据实践经验提出了浅池理论，即在重力沉降过程中，分散而不是天鹅绒颗粒的沉降效果以颗粒的沉降速度和池面积为函数，与池深和沉降时间无关，即提高沉降池的处理能力有两种方式：一种是扩大沉降面积，另一种是提高水沉降速度。通过斯托克斯公式可以得出提高水沉降速度的措施，扩大沉降面积的措施是在容器内设置多层水平隔断。
基于这一理论，美国壳牌公司于1950年成功开发了第一台平行板捕集器，可去除水中最小60μm的油滴。Fram公司在20世纪70年代开发了V型板分离器，CE-NATCO公司在20世纪80年代开发了板聚结器，这是一种错流组合波纹板。经过不断改进，该设备已应用于油气分离、油水分离和含油污水净化。
在深入研究油水分离机理的基础上，根据相应的理论开发了高效蒸发设备，大致分为预分离室、沉降分离室、油室和水室三部分。预分离室一般配备碟形转向器和均质布液板。其原理是通过多次改变油水乳液的运行方向和流速，加强机械破乳，进一步加快油水分离。
通过活性水洗涤，乳液界面膜的强度可以大大降低。由于乳液与层之间的剪切和摩擦，界面膜破裂，促进液滴聚集，增加粒径，加速油水分离。沉降分离室主要起到进一步分离净化的作用，油水分离器是设计的关键。
3.粗粒化蒸发乳化水
各种蒸发装置常用亲水疏油的固体物质制成，利用油水对固体物质的亲和力不同。用于油水分离的固体物质应具有良好的润湿性。适合这一要求的材料有：陶瓷、锯末、纤维材料、核桃壳等。
例如，大港油田的陶粒蒸发器以陶粒为填料。当油水混合物流过陶粒层时，它被迫不断改变流速和方向，增加水滴碰撞聚结的概率，使小液滴快速聚结沉降。
4.离心分离
利用不同的油水密度，使高速旋转的油水混合物产生不同的离心力，从而水分离。由于离心设备可以达到非常高的速度，产生高达数百倍重力加速度的离心力，离心设备可以完全分离油水，只需要很短的停留时间和较小的设备体积。由于离心设备具有运动部件，日常维护困难，仅用于实验室分析设备和需要减少占地面积的场所。
主要设备室水力旋流器采用离心分离原理，用于物理分离连续相得液体和分散相得固粒、液滴或气泡。分散相和连续相之间的密度差越大，两相越容易分离。与重力场中的情况类似，在两相密度差一定的情况下，分散相得粒径越大，重力场达到平衡状态时两相反向运行的速度差越大，越容易分离。
5.电脱分离
电蒸发作为油水处理的最终手段，广泛应用于油田和炼油厂。其原理是乳液放置在高压交流或DC电场中。由于电场对水滴的作用，乳液界面膜强度减弱，促进水滴碰撞合并，最终聚集成粒径较大的水滴，从原油中分离出来。
由于电蒸发处理含水量高的原油乳液会产生电击穿，无法在极间建立必要的电场强度，因此电脱法不能独立使用，只能作为其他处理方法的后续工艺。
