臭氧氧化体系具有较高的氧化还原单位，能够氧化废水中的大部分有机污染物，被广泛应用于工业废水处理中，臭氧能氧化水中许多有机物，但臭氧与有机物的反应是有选择性的，而且不能将有机物彻底分解为CO2和H2O，臭氧氧化后的产物往往为羧酸类有机物。且臭氧的化学性质极不稳定，尤其在非纯水中，氧化分解速率以分钟计。在废水处理中，臭氧氧化通常不作为一个单独的处理单元，通常会加入一些强化手段，如光催化臭氧化等。此外，臭氧氧化与其他技术联用也是研究的重点，如生物活性炭吸附法等。
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