臭氧O₃有很强的氧化性能，在天然元素中仅次于氟，氧化作用速度是氯的300倍。其密度是O₂的1.5倍，在常温常压下溶解度为10mg/L，比O₂高10倍，比空气高25倍；消毒杀菌反应快，投量少，适应范围广（pH 5.6～9.8，水温0～37℃）；O₃能破坏生物体不饱和脂肪酸和蛋白质，生成羧酸、二羧酸、过氧化氢、O₂、草酸等，继续氧化会变成无害物质。O₃能脱色、除臭、去味以及除铁、锰、有机物，但O₃性能很不稳定。目前，需要现场生产。

O₃在处理废水无机物过程中，与无机物反应放出原子氧O，使无机物氧化，转变成无毒或微毒的化合物。例如O₃处理废水中CN^－时，生成无毒的NaHCO₃和NH₃：

又如，当O₃处理废水中硫化物Na₂S时，放出O和O₂与硫化物反应，生成无毒、无臭、无味的硫代硫酸钠，或硫酸钠：

O₃在处理废水有机物过程中，反应机理比较复杂，解释不一。O₃与废水中有机物反应，有两条途径：一是直接反应称D反应；一是间接反应，即O₃分解有机物产生羟基自由基OH·，间接反应，亦称R反应，反应时先生成羟基或过氧化物。例如O₃与含乙烯（C₂H₄）废水反应，生成过氧化物和甲醛：

然后，O₃继续反应，使HCHO生成无机物CO₂和H₂O：

又如，O₃处理含酚废水，生成醌，O₃再氧化醌生成草酸：

而草酸再经O₃氧化，变成无机物，反应如下：

O₃在处理废水过程中效用十分显著。