一体化含油污水处理设备常用的核心处理技术主要有重力分离法、气浮分离法、膜分离法、吸附法以及生物处理法等。重力分离法是利用油和水的密度差异，让含油污水在设备的隔油区内缓慢流动，油类物质因密度较小会逐渐上浮至水面，然后通过刮油装置或集油管将其收集排出，水则从下方流出。该技术的优点是设备结构简单、运行成本低、操作维护方便，适用于处理含油量较高（通常大于 100mg/L）、油滴粒径较大（一般大于 100μm）的浮油污水，处理效率相对稳定，但对于乳化油和分散油的处理效果较差。
气浮分离法是向含油污水中通入大量微小气泡，使污水中的油滴、悬浮物等杂质附着在气泡表面，随气泡一起上浮至水面形成浮渣，然后通过刮渣装置将浮渣去除。根据气泡产生方式的不同，可分为加压溶气气浮、电解气浮和散气气浮等。其中加压溶气气浮应用最为广泛，其优点是气泡细小且均匀、附着效率高，不仅能有效去除浮油，还能对分散油和乳化油（经过破乳预处理后）有较好的处理效果，处理后的出水含油量可降至 10 - 30mg/L，适合处理含油浓度中等、油滴粒径较小的污水，但运行过程中需要消耗一定的能量，且对污水的 pH 值、温度等参数有一定要求。
膜分离法是利用高分子膜的选择透过性，在压力差的作用下，让污水中的水分子通过膜孔，而油滴、悬浮物、胶体等杂质被截留在膜的另一侧，从而实现油水分离。常用的膜材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）等，根据膜的孔径大小可分为微滤膜、超滤膜等。该技术的优点是分离效率高，处理后的出水含油量可低于 5mg/L，甚至达到排放标准以下，且占地面积小、操作自动化程度高，适用于对出水水质要求较高的场合，如回用处理等。但膜分离法存在膜污染问题，需要定期进行清洗和维护，膜的更换成本也较高，同时对进水水质有严格要求，需要进行充分的预处理以去除大颗粒杂质，防止膜堵塞。
吸附法是利用活性炭、硅藻土、沸石等多孔吸附材料的巨大比表面积和吸附能力，将污水中的油分和其他有机污染物吸附在材料表面，从而达到净化水质的目的。吸附法的优点是操作简单、处理效果好，能有效去除水中的溶解油和部分乳化油，且吸附材料可通过再生处理后重复使用，降低运行成本。但吸附法的处理量相对较小，吸附材料容易达到饱和，需要频繁更换或再生，适合作为含油污水处理的深度处理单元，或用于处理低浓度含油污水。
生物处理法是利用微生物的代谢作用，将污水中的有机污染物（包括部分油类物质）分解为无害的二氧化碳和水等物质。在一体化含油污水处理设备中，通常采用生物接触氧化法、生物膜法等工艺，通过在设备内设置填料，让微生物附着在填料表面形成生物膜，当含油污水流经填料层时，生物膜中的微生物会对油分和有机污染物进行降解。该技术的优点是处理成本低、无二次污染，能实现对有机污染物的彻底降解，适用于处理含有可生物降解有机物的含油污水，尤其适合处理浓度较低、可生化性较好的含油废水。但生物处理法对水温、pH 值、溶解氧等环境因素较为敏感，处理周期相对较长，且对于难以生物降解的油类物质（如某些矿物油）处理效果不佳。
