在常温常压下，臭氧是淡蓝色的具有强烈刺激性的气体，由3个氧原子组成。臭氧密度为空气的1.7倍，易溶于水，在空气或水中均易分解消失。臭氧对人体健康有影响，空气中臭氧浓度达到100mg/L即有致命危险，故在水处理中散发出来的臭氧尾气必须处理。
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。
臭氧作为消毒剂或氧化剂的主要优点是不会产生三卤甲烷等副产物，其杀菌和氧化能力均比氯强。但近年来有关臭氧化的副作用也引起人们关注。有人认为，水中有机物经臭氧化后，有可能将大分子有机物分解成分子较小的中间产物，而在这些中间产物中，可能存在毒性物质或致突变物，或者有些中间产物与氯（臭氧化后往往还需加适量氯）作用后致突变性反而增强。
臭氧都是在现场用空气或纯氧通过臭氧发生器高压放电产生的。臭氧发生器是臭氧生产系统的核心设备，如果以空气作气源，臭氧生产系统应包括空气净化和干燥装置以及鼓风机或空气压缩机等。所产生的臭氧化空气中臭氧含量一般在2%～3%（质量分数）；如果以纯氧作为气源，臭氧生产系统应包括纯氧制取设备，所生产的是纯氧/臭氧混合气体，其中臭氧含量约达6%（质量分数）。由臭氧发生器出来的臭氧化空气（或纯氧）进入接触池与待处理水充分混合，为获得最大传质效率，臭氧化空气（或纯氧）应通过微孔扩散器形成微小气泡均匀分散于水中。
由于臭氧在水中不稳定，易消失，因此臭氧很少作为唯一消毒剂。为维持持续消毒作用，一般在臭氧消毒后，仍需投加少量氯、二氧化氯或氯胺以维持水中剩余消毒剂。
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