分离技术是通过一定的物理和化学手段将煤化工废水中高浓度的污染物或者有利用价值的物质进行分离和回收，这样的处理不但可以减少后续生物工艺中污染物对活性污泥的毒性抑制，而且还可以进行资源的重新利用，降低水处理成本。
目前普遍采用溶剂萃取脱酚和蒸氨组合工艺对煤化工废水进行预处理，回收所含有的高浓度酚和氨。例如，中煤龙化哈尔滨煤化工有限公司改良了脱酚工艺，实现了脱酸脱氨后pH 降到偏中性水平，有利于萃取脱酚工艺的优化运行，筛选甲基异丁基酮作为脱酚萃取剂，该工艺对单元酚和多元酚分配系数均大于二异丙醚，可以使总酚的萃取效率提高至90%以上，出水总酚质量浓度降至400 mg/L 以下，但是该工艺具有技术不稳定性，增加了有毒物质抑制后续生物工艺的风险。同时，该公司采用蒸氨塔进行水蒸气汽提-蒸氨工艺， 将氨氮去除率提高到90%以上。