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臭氧是极强的氧化剂，在天然元素中仅次于氟。通常氧不能反应的条件下，臭氧却可以和多种物质进行作用，比如能许多有机物或者官能团发生反应，对水中各种细菌和病毒都有着非常高效的杀灭性，而且臭氧通过和多种有机化合物反应，还可以氧化降解有机物。从而达到去除水中颜色和臭味以及臭氧污水处理的作用。
臭氧针对于污水处理也有着不可思议的净化效果，对臭氧的反应机理已经有了很多研究报道。主要是因为臭氧的分解产物是一些分子态氧和具有高度活性的自由基，它们的高度活性在污水处理中被用于杀菌消毒和破坏有机物结构等等，而且副产物是无毒的，基本不会产生二次污染，因此臭氧有着许多其他氧化剂无法比拟的优点。臭氧氧化用于去除水中杂质，利用臭氧去除水中有机物时，一般将其用作预氧化剂，它能部分氧化有机物中分子量小的中间产物。
虽然有研究表明剩余臭氧对水生生物有影响，但由于其在水中半衰期短，容易分解，不会对受纳水体生物造成重大影响。目前，臭氧消毒是目前高效消毒方式。在二级水处理中，由于臭氧杀菌作用比氯快15～30倍,因此，它可替代氯当消毒剂，以防止处理出水中形成致癌性的ｔｈｍｓ（如氯仿、嗅二氯烷、二嗅氯烷等），避免因原水水质恶化而需加大氯量造成的二次污染如氯酚味问题。用臭氧消毒时对细菌的灭活率都在95%以上,所以经臭氧消毒过的水,其中的病毒实际上已完全失去了活力。
除此之外，实验研究发现，非连续臭氧氧化比连续的投加能得到更好的效果，而且大量节省了臭氧的投加量。在获得同样的处理效果前提下，非连续投加量只是连续投加量的30%左右。利用臭氧进行剩余污泥处理是一种行之有效而且节省运行费用的新工艺，因此臭氧污水处理有着良好的前景。
