臭氧的分子式为O₃，一般为无色的气体，具有特异的臭味，臭氧溶于水，溶解度与水温呈反比关系。在常温条件下，溶解量约为20mg／L。臭氧在水中自行分解为氧，自行分解的速度由水温和PH值所控制，高水温与高PH值能够促进分解。作为深度处理技术，臭氧对二级处理水进行以回用为目的处理，其主要的任务是：氧化残留有机物及 CHO^-、NH₂^-、SH^-、OH^-、NO^-等官能团。

污水用臭氧进行处理，BOD／COD比值随反应时间延长而提高，说明污水的可生化性得到改善。

臭氧对二级处理水进行处理，COD去除率与 PH值有关，当 PH值为 7左右时，COD去除率只在 40％左右，而当 PH值上升为12时，去除率即可达80％~90％。在高PH值的条件下，臭氧自行分解非常显著，在其分解过程中生成活性很强的OH^-，在OH^-的作用下，COD得到很高的去除率。

由于臭氧对不饱和化合物有较大的作用，因此能够有效地脱除由不饱和化合物着色的色度。而且经砂滤处理后的二级处理水，用臭氧进行脱色处理，效果显著优于未经砂滤处理的二级处理水（在臭氧吸收量相同的条件下），由此可以断定去除悬浮物是能够提高脱色效果的，因此常以砂滤作为前处理技术。但是，当臭氧的吸收量超过10mg／L以后，二级处理水无论是经过砂滤处理和未经砂滤处理，脱色作用都将停止。

臭氧还被广泛地用于杀菌消毒。用臭氧对二级处理水进行杀菌处理，效果提高得较慢，大肠菌群数（个／mL）减少的不快，而且在臭氧投量超过10mg／L以后，杀菌效果提高的更为缓慢。但是用臭氧对经砂滤处理后的二级处理水进行杀菌处理，一开始效果就非常明显，大肠菌群数急剧下降，而且在臭氧投量达7mg／L以后水中的大肠菌即完全消失，应考虑以砂滤去除悬浮物为前处理的技术措施。

臭氧处理系统中混合反应器是主要的设备，它的作用是促进臭氧与污水混合；以加快反应。混合反应器有多种形式，常用的有：扩散板式、喷射式和机械搅拌式三种。