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臭氧的分子式為O₃，一般為無色的氣體，具有特異的臭味，臭氧溶于水，溶解度與水溫呈反比關系。在常溫條件下，溶解量約為20mg／L。臭氧在水中自行分解為氧，自行分解的速度由水溫和PH值所控制，高水溫與高PH值能夠促進分解。作為深度處理技術，臭氧對二級處理水進行以回用為目的處理，其主要的任務是：氧化殘留有機物及 CHO^-、NH₂^-、SH^-、OH^-、NO^-等官能團。

污水用臭氧進行處理，BOD／COD比值隨反應時間延長而提高，說明污水的可生化性得到改善。

臭氧對二級處理水進行處理，COD去除率與 PH值有關，當 PH值為 7左右時，COD去除率只在 40％左右，而當 PH值上升為12時，去除率即可達80％~90％。在高PH值的條件下，臭氧自行分解非常顯著，在其分解過程中生成活性很強的OH^-，在OH^-的作用下，COD得到很高的去除率。

由于臭氧對不飽和化合物有較大的作用，因此能夠有效地脫除由不飽和化合物著色的色度。而且經砂濾處理后的二級處理水，用臭氧進行脫色處理，效果顯著優于未經砂濾處理的二級處理水（在臭氧吸收量相同的條件下），由此可以斷定去除懸浮物是能夠提高脫色效果的，因此常以砂濾作為前處理技術。但是，當臭氧的吸收量超過10mg／L以后，二級處理水無論是經過砂濾處理和未經砂濾處理，脫色作用都將停止。

臭氧還被廣泛地用于殺菌消毒。用臭氧對二級處理水進行殺菌處理，效果提高得較慢，大腸菌群數（個／mL）減少的不快，而且在臭氧投量超過10mg／L以后，殺菌效果提高的更為緩慢。但是用臭氧對經砂濾處理后的二級處理水進行殺菌處理，一開始效果就非常明顯，大腸菌群數急劇下降，而且在臭氧投量達7mg／L以后水中的大腸菌即完全消失，應考慮以砂濾去除懸浮物為前處理的技術措施。

臭氧處理系統中混合反應器是主要的設備，它的作用是促進臭氧與污水混合；以加快反應。混合反應器有多種形式，常用的有：擴散板式、噴射式和機械攪拌式三種。