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臭氧在水中對細菌、病毒等微生物殺滅率高、速度快，對有機化合物等污染物質去除徹底而又不產生二次污染，因此飲用水殺菌消毒是臭氧應用的最主要部門，自來水行業是臭氧的最大市場。
氯消毒在自來水廠應用是很普遍的。但臭氧對細菌的殺滅率更高，殺滅速度更快。氯消毒對水質pH值改變特別敏感，pH值由7.5變到8.0氯的投加量要加大2.5倍，而臭氧投加量改變不大。目前使用臭氧代替氯消毒最主要的因素，也是傳統使用氯消毒的美國、日本等國家都在快速發展采用臭氧處理自來水的主要原因，在于隨著水源受有機化學工業產物污染，氯消毒后會產生氯仿、溴二氯甲烷、四氯化碳等氯化有機物（THM），這些物質具有致癌性，而臭氧處理中氧化作用不產生二次污染化合物。
　 我國瓶裝水采用臭氧殺菌凈化工藝最為普遍、積極，粗略估算，礦泉水、純水、潔凈水廠一千多家，約60%已采用臭氧殺菌工藝。由于技術監督、防疫部門已形成共識，沒有臭氧設備的瓶裝水廠很難在市場上競爭。隨著瓶裝水市場的發展，國內發展了一大批臭氧設備生產企業。臭氧發生器、投加混合設備品種繁多，質量參差不齊，甚至虛報假冒，使瓶裝水質量得不到保證。其關鍵在于處理水應達到0.3~0.5mg/L的臭氧溶解度值，這首先要求投加臭氧量應滿足1m3水2g臭氧的條件，同時必須保證水----氣充分接觸并保持一定的時間。根據實踐經驗，臭氧發生濃度高于8mg/L時容易達到溶解度要求。
　 污水處理包括城市污水、工業污水與醫療污水的處理，主要目的為殺菌消毒、去除污染物質并脫色除味以達到排放標準。近幾年由于水資源匾乏，行業主管部門制定了工業、生活污水回用的法規，提高了處理標準。
　美國在本世紀七十年代初開始利用臭氧處理生活污水，其主要的目的為消毒并降低生物耗氧量（BOD）和化學耗氧量（COD），去除亞硝酸鹽、懸浮固體及脫色，已達到全面生產應用的水平。日本則在缺水地區進行污水臭氧處理后作為非食用水（即中水）循環使用。
　工業污水臭氧用來對電鍍含氰污水氧化、紡織印染污水脫色、精煉污水去酚、烷類物質等。美、日、德、法等國近年都建立了大規模的污水處理廠，我國煉油、印染行業也有試驗性應用。