Compte tenu des grandes quantités d'eau utilisées dans une raffinerie, le traitement des eaux usées constitue un processus de soutien très important pour un fonctionnement sûr. Les quatre types d'eaux usées des raffineries sont l'eau de refroidissement, l'eau de traitement et la vapeur, les eaux pluviales et les eaux usées sanitaires. Parmi celles-ci, le flux d'eaux usées le plus fortement pollué et nécessitant un traitement sérieux est l'eau de traitement et la vapeur qui entrent en contact direct avec les fractions pétrolières. Les eaux pluviales peuvent être contaminées en raison de l'exposition accidentelle à des sources de polluants sur les surfaces des raffineries et des déversements accidentels. L'eau de refroidissement et les eaux usées sanitaires peuvent ne pas nécessiter beaucoup de traitement avant d'être envoyées dans les installations publiques de traitement des eaux. Une règle empirique consiste à éviter de mélanger différents types de flux d'eaux usées afin de réduire la charge des unités de traitement. Les polluants trouvés dans les flux d'eaux usées comprennent les hydrocarbures, avec une préoccupation particulière pour les composés aromatiques toxiques, tels que le benzène ; les composés hétéroatomiques, tels que les mercaptans.