化学处理法是相对于物理法、生物法而言的，常用的化学方法有中和、沉淀、混凝、氧化还原等。对含油废水主要用混凝法。混凝法是向含油废水中加入一定比例的絮凝剂，在水中水解后形成带正电荷的胶团与带负电荷的乳化油产生电中和，油粒聚集，粒径变大，同时生成絮状物吸附细小油滴，然后通过沉降或气浮的方法实现油水分离。常见的絮凝剂有聚合氯化铝（pac）、三氯化铁、硫酸铝、硫酸亚铁等无机絮凝剂和丙烯酰胺、聚丙烯酰胺（pam）等有机高分子絮凝剂，不同的絮凝剂的投加量和ph值适用范围不同。此法适合于靠重力沉降不能分离的乳化状态的油滴和其他细小悬浮物。
对于含油类废水也可以简单地进行以下处理。首先利用隔油池，回收浮油或重油，处理效率为60％一80％，出水中含油量约为100一200mg/l；废水中的乳化油和分散油较难处理，故应防止或减轻乳化现象。方法之一，是在生产过程中注意减轻废水中油的乳化；其二，是在处理过程中，尽量减少用泵提升废水的次数、以免增加乳化程度。处理方法通常采用气浮法和破乳法。
化学药剂处理含油废水前可先判断该废水是乳上油、分散油还是乳化油再进行针对性的物理分离或投加相对的化学药剂进行破乳或混凝处理，使含油废水的处理达到更加效果。
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