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基于臭氧的强氧化性，且在水中可短时间内自行分解，副产物没有二次污染，是理想的绿色氧化药剂。随着近几十年臭氧制取技术的不断进步趋于成熟，臭氧氧化方法已逐渐发展成为一种应用广泛的高级氧化技术。而在水处理领域中，该技术已在许多方面得到了应用，其中包括杀菌消毒、除臭、除味、脱色，去除铁、锰，氧化分解有机物和絮凝作用等。
臭氧氧化：臭氧在水中反应的机理是利用臭氧的氧化性（氧化电位2.03V）将水中的有机物直接氧化，或者将大分子有机物氧化分解成小分子，使其更容易被降解。虽然单纯的臭氧氧化能在一定程度上对有机物进行去除，但是臭氧难以将氧化后的小分子物质进一步氧化，因此单纯的臭氧氧化对于有机物的矿化程度有一定局限性。
臭氧催化氧化：通过在臭氧体系中投加催化剂，能够显著提高臭氧体系产生羟基自由基的能力及改善臭氧直接氧化有机物的能力，是一种针对单独臭氧氧化效率低而发展起来的新型技术。