在水中投入臭氧进行消毒或氧化通称臭氧化。臭氧既是消毒剂，又是氧化能力很强的氧化剂，但目前臭氧作为氧化剂以氧化去除水中有机污染物更为广泛。
臭氧的氧化作用分直接作用和间接作用两种。臭氧直接与水中物质反应称直接作用，直接氧化作用有选择性且反应较慢；间接作用是指臭氧在水中可分解产生二级氧化剂——氢氧自由基·OH（表示带有未配对电子，故活性极大）。·OH是一种非选择性的强氧化剂，可以使许多有机物彻底降解矿化，且反应速率很快。不过，仅由臭氧产生的氢氧自由基量很少，除非与其他物质配合方可产生较多·OH。
有关专家认为，水中·OH及某些有机物是臭氧分解的引发剂或促进剂。臭氧消毒机理实际上仍是氧化作用，臭氧在水中发生氧化还原反应的瞬间，能破坏和分解细菌的细胞壁，迅速地扩散入细胞里，氧化破坏细胞内酶，致死病原体。
臭氧的杀菌效果主要取决于水中臭氧含量。当通入水中的臭氧气体浓度越高，水温越低，臭氧在水中的分散程度越高，臭氧与水的混合就越充分，其在水中的浓度就越高，杀菌消毒的效果也就越好。
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