本实用新型涉及一种海水分离富集系统，属于海水分离富集技术领域，其包括框架、逐级设置的切向超滤装置、中转收集箱、逐级设置的样品收集箱、抽提泵和增压泵；其中，切向超滤装置的过滤孔径逐级递减，每级切向超滤装置均连接有进水管、出水管和出样管；中转收集箱设置于每相邻两级切向超滤装置之间；样品收集箱的级数比切向超滤装置的级数多一级，样品收集箱分别与其对应级数的切向超滤装置的出样管以及最后一级切向超滤装置的出水管相连通；抽提泵安装于第一级切向超滤装置的进水管上；增压泵用于相邻两级切向超滤装置之间的海水输送。该海水分离富集系统能够在海上实现海水的高效、高通量的分级分离富集，提供高质量海水和微生物样本。