臭氧和氯的氧化还原电位分别为2.07V和1.36V。 因此，臭氧的氧化性仅次于羟基自由基∙OH和氟。 它是一种氧化剂和杀菌剂，具有比氯更强的特性。 用于水处理 可用作氧化剂或消毒剂。
用作消毒剂进行消毒时，其杀菌除病毒效果较好，接触时间较短。 例如臭氧达到一定的消毒效果，其用量与接触时间的乘积为5，而要达到同样的效果，氯用量与接触时间的乘积为1440。臭氧消毒的最大特点是 当水中含有有机物时，不会产生氯消毒时容易产生的有机氯化物等有毒物质。 而且，由于臭氧的强氧化力，不仅能杀菌，还能去除水中的色、味等有机物，即具有杀菌、除臭、脱色、除酚等多种功能。 由于其分解迅速，无残留物质，特别适用于以微污染地表水为水源的饮用水消毒和污水深度处理出水的消毒。
利用臭氧的强氧化性，可以将污水中的Fe2、Mn2等金属离子氧化成更高或最高氧化态，加碱形成更难溶的氢氧化物沉淀，从水中去除。 当废水中含有氰化物、硫化物、亚硝酸盐等有毒和还原性无机物时，可用臭氧氧化将其氧化成CO2、N2O、SO42-、NO3-等无毒或毒性较小的物质。
与有机物反应时，臭氧氧化可引起不饱和有机分子破裂，发生臭氧分解。 也就是说，臭氧分子在极性有机分子的原始双键位置发生反应，将其分子分裂成两个羧酸分子。 臭氧化物的自发分裂产生羧基化合物和具有酸性和碱性基团的两性离子。 后者不稳定，可分解成酸和醛。 因此，在废水处理领域，臭氧的性质已被广泛用于处理一些难生物降解的有机废水，作为二次生物处理的预处理。 UV/臭氧光化学系统可以促进臭氧分解产生氧化能力更强的∙OH自由基，从而提高臭氧的氧化速度和效率，实现有机物的彻底矿化处理。 例如，这种系统在处理含二甲苯的废水时，可以将二甲苯完全氧化成无毒的水和二氧化碳。
