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臭氧在水中對細菌、病毒等微生物殺滅率高、速度快，對有機化合物等污染物質去除*而又不產生二次污染，因此飲用水殺菌消毒是臭氧應用的主氯消毒在自來水廠應用是很普遍的。但臭氧對細菌的殺滅率更高，殺滅速度更快。要部門，自來水行業是臭氧的大市場。
氯消毒對水質pH值改變特別敏感，pH值由7.5變到8.0氯的投加量要加大2.5倍，而臭氧投加量改變不大。目前使用臭氧代替氯消毒主要的因素，也是傳統使用氯消毒的美國、日本等國家都在快速發展采用臭氧處理自來水的主要原因，在于隨著水源受有機化學工業產物污染，氯消毒后會產生溴二氯甲烷、四氯化碳等氯化有機物（THM），這些物質具有致癌性，而臭氧處理中氧化作用不產生二次污染化合物。
我國瓶裝水采用臭氧殺菌凈化工藝為普遍、積極，粗略估算，礦泉水、純水、潔凈水廠一千多家，約60%已采用臭氧殺菌工藝。由于技術監督、防疫部門已形成共識，沒有臭氧設備的瓶裝水廠很難在市場上競爭。隨著瓶裝水市場的發展，國內發展了一大批臭氧設備生產企業。臭氧發生器、投加混合設備品種繁多，質量參差不齊，甚至虛報，使瓶裝水質量得不到保證。其關鍵在于處理水應達到0.3~0.5mg/L的臭氧溶解度值，這首先要求投加臭氧量應滿足1m3水2g臭氧的條件，同時必須保證水－－－－氣充分接觸并保持一定的時間。根據實踐經驗，臭氧發生濃度高于8mg/L時容易達到溶解度要求。
污水處理包括城市污水、工業污水與醫療污水的處理，主要目的為殺菌消毒、去除污染物質并脫色除味以達到排放標準。近幾年由于水資源匾乏，行業主管部門制定了工業、生活污水回用的法規，提高了處理標準。
美國在本世紀七十年代初開始利用臭氧處理生活污水，其主要的目的為消毒并降低生物耗氧量（BOD）和化學耗氧量（COD），去除亞硝酸鹽、懸浮固體及脫色，已達到全面生產應用的水平。日本則在缺水地區進行污水臭氧處理后作為非食用水（即中水）循環使用。
工業污水臭氧用來對電鍍含氰污水氧化、紡織印染污水脫色、精煉污水去酚、烷類物質等。美、日、德、法等國近年都建立了大規模的污水處理廠，我國煉油、印染行業也有試驗性應用。
