本发明公开了一种用于薄油膜分离回收的油水分离装置，包括：箱体，箱体前部设有进口，后部设有出口，在箱体内的下部设有至少一层由阻流分离板和梳柱阵列组成的阻流装置；箱体上方密封连接一个自后向前、自左右向中间逐渐升高形成锥形结构的箱盖；在箱盖外壁上锥形结构的最高处竖向设有集油井，集油井与箱体的内部以及外部大气均相通，集油井内设有油位检测计，集油井的管壁上设有连接侧管，连接侧管上设有电磁阀；本发明的油水分离装置关于箱体的中心线呈左右对称结构。本发明的用于薄油膜分离回收的油水分离装置尤其适用于微米级薄油膜的油水分离及回收。