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臭氧在水中对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染物质去除彻底而又不产生二次污染，因此饮用水杀菌消毒是臭氧应用的最主要部门，自来水行业是臭氧的最大市场。
氯消毒在自来水厂应用是很普遍的。但臭氧对细菌的杀灭率更高，杀灭速度更快。氯消毒对水质pH值改变特别敏感，pH值由7.5变到8.0氯的投加量要加大2.5倍，而臭氧投加量改变不大。目前使用臭氧代替氯消毒最主要的因素，也是传统使用氯消毒的美国、日本等国家都在快速发展采用臭氧处理自来水的主要原因，在于随着水源受有机化学工业产物污染，氯消毒后会产生氯仿、溴二氯甲烷、四氯化碳等氯化有机物（THM），这些物质具有致癌性，而臭氧处理中氧化作用不产生二次污染化合物。
　 我国瓶装水采用臭氧杀菌净化工艺最为普遍、积极，粗略估算，矿泉水、纯水、洁净水厂一千多家，约60%已采用臭氧杀菌工艺。由于技术监督、防疫部门已形成共识，没有臭氧设备的瓶装水厂很难在市场上竞争。随着瓶装水市场的发展，国内发展了一大批臭氧设备生产企业。臭氧发生器、投加混合设备品种繁多，质量参差不齐，甚至虚报假冒，使瓶装水质量得不到保证。其关键在于处理水应达到0.3~0.5mg/L的臭氧溶解度值，这首先要求投加臭氧量应满足1m3水2g臭氧的条件，同时必须保证水----气充分接触并保持一定的时间。根据实践经验，臭氧发生浓度高于8mg/L时容易达到溶解度要求。
　 污水处理包括城市污水、工业污水与医疗污水的处理，主要目的为杀菌消毒、去除污染物质并脱色除味以达到排放标准。近几年由于水资源匾乏，行业主管部门制定了工业、生活污水回用的法规，提高了处理标准。
　美国在本世纪七十年代初开始利用臭氧处理生活污水，其主要的目的为消毒并降低生物耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD），去除亚硝酸盐、悬浮固体及脱色，已达到全面生产应用的水平。日本则在缺水地区进行污水臭氧处理后作为非食用水（即中水）循环使用。
　工业污水臭氧用来对电镀含氰污水氧化、纺织印染污水脱色、精炼污水去酚、烷类物质等。美、日、德、法等国近年都建立了大规模的污水处理厂，我国炼油、印染行业也有试验性应用。