消毒杀菌
臭氧在水处理中的应用就是作为消毒剂，它对一般细菌、大肠菌、病毒等特别有效，其杀菌能力比氯系列消毒剂要强几十倍到数百倍，各种常规消毒剂的杀菌能力次序为O3>CIO:>HOCI>OCI>CI->CI->NHCI>NHCL3。当臭氧浓度为0.01mg/1时,1分钟以下的接触时间即可杀死纯水中大肠杆菌,对于饮用水,最佳的臭氧数量为1-4mg/1，若要是99.9%的细菌和病毒失活则接触时间约为10-12分钟。
有机物的氧化分解
臭氧在理论上可以彻底氧化绝大部分有机物，但所消耗的臭氧量很大，据研究，这种O3：TOC在15：1以上。因此，实际应用中通常采用臭氧低投量法，将大分子分解为小分子，有害物分解为无害物，难降解物质转化为可降解物质，在辅以其它方法，使有机物的去除更为经济和有效。
色、嗅、味的去除
臭氧具有很强的脱色、嗅、味能力，而且可以避免加氯而产生氯酚等异味。目前，常用的去除色、嗅、味工艺是将03与其它技术联用，这样既能提高处理效率又可减少臭氧的用量。研究，同样去除90%的C13H33O，若将臭氧与紫外光联用，则臭氧浓度只需4mg/1。
铁和锰的去除
由于铁和锰较易去除，空气即可将氧化，故单纯为去除铁、锰而采用臭氧的例子很少，一般只是一种附带效果，在实际应用中，如用臭氧处理地下水，则铁、锰完全氧化时与臭氧的用量出分别为0.48mgO3/mgFe和0.88mgO3/mgMn。
助凝作用
臭氧在低剂量下（0.5-1.5mg/1）可以起到良好的助凝作用，但浓度过高则会使效果恶化。臭氧凝作用的机理可能有：加强了铝与臭氧化的有机物之间的亲和力；对有机物起聚合作用；分解金属一有机物络合；与藻类反应等。 在常规处理中，臭氧对明矾等有助凝剂效果，对于直接过滤法，臭氧化可以提高过滤速度。由于水中总有机碳决定了臭氧的助凝效果，所以用TOC/O3来表示臭氧的投量更合理些。
