Considerando as vastas quantidades de água utilizadas numa refinaria, o tratamento de águas residuais constitui um processo de apoio muito significativo para um funcionamento seguro. Os quatro tipos de águas residuais das refinarias incluem água de arrefecimento, água de processo e vapor, água pluvial, e água de esgotos sanitários. Entre estes, o fluxo de águas residuais mais poluído que requer um tratamento sério é a água de processo e o vapor que entram em contacto directo com fracções de petróleo. A água pluvial pode ser contaminada devido à exposição incidental a fontes poluentes nas superfícies das refinarias e a derrames acidentais. A água de arrefecimento e água de esgotos sanitários pode não necessitar de muito tratamento antes de ser enviada para instalações públicas de tratamento de água. Uma regra geral é evitar misturar diferentes tipos de fluxos de águas residuais para reduzir a carga sobre as unidades de tratamento. Os poluentes encontrados nas correntes de águas residuais incluem hidrocarbonetos com especial preocupação por compostos aromáticos tóxicos, tais como o benzeno; compostos heteroatómicos, tais como os mercaptanos.