在距離地球表面15～25公里的高空，因受太陽紫外線照射的緣故，形成了包圍在地球外圍空間的臭氧層，這厚厚的臭氧層正是人類賴以生存的保護傘。
臭氧分子式為O3，是氧的同素異構體，又名三原子氧，因其類似魚腥味的臭味而得名，雷電后的腥臭味即是電擊產生臭氧而使空氣具有的氣味。在常溫常壓下，較低濃度的臭氧是無色氣體，當濃度達到15%時，呈現出淡藍色。臭氧的沸點是-112，密度是2.144g/m3，是氧的1.65倍。
可燃物在臭氧中燃燒比在氧氣中燃燒更加猛烈，可獲得更高的溫度。臭氧在水中的溶解度較高，在同樣條件下是純氧的10倍。臭氧分子結構極不穩定，容易分解成氧氣，而且臭氧在水中比在空氣中更容易自行分解。臭氧在空氣中的半衰期一般為20～50分鐘，一般隨溫度與濕度的增高而加快。臭氧在水中半衰期約為35分鐘，隨水質與水溫的不同而有所變化。臭氧在水溶液中的穩定性受水中所含雜質的影響較大，特別是有金屬離子存在時，臭氧可迅速分解為氧氣。
臭氧和氯的氧化還原電位分別是2.07V和1.36V，因此，臭氧的氧化性僅次于羥基自由基•OH和氟，是一種比氯性質更強烈的氧化劑和殺生劑，在水處理中的可以作為氧化劑或消毒劑。
作為消毒劑消毒時，其和除效果較好，而且接觸時間較短。比如臭氧達到某種消毒效果要求投加量與接觸時間的乘積是5的話，要達到同樣效果，氯的投加量與接觸時間的乘積是1440。臭氧消毒的大特點是當水中含有有機物時，不會產生氯消毒時容易生成的有機氯化物一類有毒物質。而且由于臭氧的氧化力非常強，不但可以，還可以除去水中的色味等有機物，即同時具有、除臭、去色、除酚等多種作用。
由于其分解快而沒有殘留物質存在，因此特別適用于對微污染地表水為水源的飲用水消毒和污水深度處理出水的消毒。利用臭氧的強氧化性，可以將污水中的Fe2+、Mn2+等金屬離子氧化到較高或高氧化態，再加堿形成更難溶的氫氧化物沉淀從水中除去。
當廢水中含有氰基化合物物、硫化物、亞硝酸鹽等有毒還原性無機物時，可以使用臭氧氧化的方法，將其氧化為CO2、N2O、SO42-、NO3-等無毒或毒性較小的物質。與有機物反應時，臭氧的氧化作用可導致不飽和的有機分子的破裂而發生臭氧分解。即臭氧分子在極性有機分子原來的雙鍵位置上發生反應，把其分子分裂為兩個羧酸類分子。
臭氧化物的自發性分裂產生一個羧基化合物和帶有酸性和堿性基團的兩性離子，后者是不穩定的，可分解成酸和醛。因此，在廢水處理領域，已開始廣泛利用臭氧的這一性質對一些難以生物降解的有機廢水進行處理，作為二級生物處理的預處理。紫外/臭氧光化學系統能促進臭氧分解產生氧化能力更強的•OH自由基，從而提高臭氧的氧化速率和效率，實現對有機物*的礦化處理。比如這樣的系統對含二甲苯廢水進行處理時，可以將二甲苯*氧化成無毒的水及二氧化碳。
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