在工业污水处理中臭氧已被成功应用于印染废水的脱色。该过程需要的臭氧剂量较大，并基于废水中化学成分而有所变化。
采用臭氧协助其他过程对造纸废水的漂白与脱色，结果非常成功。臭氧为该类废水的有效处理提供了可供选择的解决方法。臭氧成功用于减少活性污泥法处理的污泥。臭氧化方法的加入，使过量污泥的量接近为零，臭氧推动了污泥的降解。污泥中合适的臭氧剂量有利于污泥的液化。
臭氧已成功应用于家庭、海洋、城市各类污水的处理，它的典型应用就是废水的终段处理，可有效地去除微生物。臭氧灭菌还可用于三级处理可达到世界卫生组织农业回用水的标准要求(1000cfu/100mL大肠杆菌)。
臭氧能去除水中的有机物，降低出水中的COD、色度和紫外线吸收有机物（一般情况下，毒害有机物对紫外线有吸收，紫外线吸收度可表征毒害物的浓度）。臭氧的灭菌过程非常快，一般可在5min内完成。在有充足臭氧剂量提供下，2min的水力停留时间可使粪便排放细菌失活。
臭氧不仅能氧化水中的无饥物．如CN、NH3等，而且能氧化难以生物降解的有机物，如芳烃化合物等。臭氧化反应的途径有两条：其一是臭氧通过亲核或亲电作用直接参与反应；其二是臭氧在碱等因素作用下，通过活泼的自由基，主要有·OH与污染物反应。臭氧能与许多有机物或官能团发生反应：C=C、C≡C、芳香化合物、杂环化合物、碳环化合物、-N-N、=S、C≡N、C-N、C-Si、-OH、-SH、-NH2、CHO、-N-N-等。臭氧破坏和去除废水中污染物的作用已被广泛研究，对有机物臭氧化的产物也进行了一些研究。研究表明，臭氧化产物主要是一元醛、二元醛、醛酸、一元羧酸、二元羧酸类有机小分子。
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