一种油水分离装置，包括过滤罐、加药系统、压缩风系统、微气泡发生系统和气旋浮系统。将压缩空气和含油污水通入微气泡发生系统，形成含有大量“油滴‑气泡粘附体”的气液混合物，实现含油污水的初步分离，再流入气旋浮系统，由于气、液两相密度差较大，“油滴‑气泡粘附体”在旋流离心力和液相浮力的双重作用下迅速向旋流中心汇聚并不断上浮，水相则向下移动，从而彻底实现含油污水中的水、油分离。该装置可减少油水分离过程中固体浮渣的生成，有利于后续生化装置的稳定运行，同时还实现了油水分离的装置化、密闭化处理，减少设备占地面积和处理时间，提高分离效率，减少日常运行过程中的化学药剂用量，进而降低运行费用或运行成本。