虽然目前生物处理技术、膜分离技术、高级氧化技术等在石化污水深度处理上已得到一定应用，但污水回用仍存在着一定的问题，主要是回用污水中的碳、氮等营养元素仍较新鲜水高许多倍，为细菌、霉菌及藻类大量繁殖提供丰富的营养，这些微生物与代谢产物和水中的悬浮物形成生物粘泥，附着于水冷器和输送管道内，结垢后降低管道换热效率、并腐蚀管道。为有效控制冷却水中微生物生长和繁殖，必须在污水回用过程中投加高效杀菌剂，以往多采用液氯消毒，但液氯在实际使用中安全风险较大，且循环水中氯离子增多会加重管道的腐蚀，因此需要研制更物美价廉的高效杀菌剂。
另外，污水作为回用水与炼油厂循环水补充水用的新鲜水相比，污水中的盐含量较高，使水质腐蚀性增强，虽然膜技术处理炼油废水中的盐效果良好，但仍存在一定问题。从膜运行来看，膜污染是使用中非常严重的问题，通常需要进行频繁的化学清洗才能保证一定的通量，且膜更换频率提高，会提高整个处理工艺的运行费用和造价的，因此膜材料及膜组件还有待改进，抗污染、选择性好、高通量膜的制备及延长膜使用寿命是今后主要的研究方向，而制备低能耗、易安装的膜组件有利于膜技术进一步的应用，这将成为今后相当长时间内要解决的一个难题。
从国内外炼油废水深度处理之后的回用情况来看，即便是像美国这样的发达国家，回用水也只能占到循环冷却水补水的一半左右，还需大量补充新鲜水，因此，需对各种方法的应用以及它们的有机结合进行更深入的研究，开发简单适用、高效可行的废水再生工艺或技术，以使石化污水能够全部回用循环水系统。