臭氧可处理各类污水，如生活污水、垃圾渗滤液、纺织印染废水、电镀氰化废水等工业废水。通常，臭氧氧化过程可以在污水处理的各个阶段进行。目前，在实际应用中，臭氧接触系统往往布置在多级生物处理系统的化学氧化之前或之后，即臭氧前接触系统和臭氧后接触系统。有时，根据污水的具体性质，前臭氧和后臭氧都用于水质条件。通过各个阶段的臭氧氧化，增强污水的絮凝效果，减少三卤甲烷和三卤甲烷的前体物质。同时有效分解降解水中的有机物，氧化溶解铁锰。无机有色离子等不溶物可增强脱色、除臭、除臭效果，达到排放标准。
生活污水和垃圾渗滤液的处理
在生活污水处理中，臭氧氧化主要用于消毒、脱色和降低污水中COD、B0D和悬浮物的浓度，同时将难降解的有机物氧化成易降解的有机物，以提高污水的生物降解性等：臭氧具有很强的消毒能力。在一些欧美国家，污水必须经过消毒达到排放标准才能进入受纳水体。以往污水处理常用的消毒剂是氯，但氯在消毒过程中容易产生氯仿等致癌物，对水体造成二次污染：而臭氧消毒是直接作用于细菌，细菌可以在几秒钟内被消除。杀菌和杀灭病毒的能力是氯的千倍。臭氧可以去除水分。特殊气味和悬浮物也有促进作用，生活污水在处理过程中会产生很大的异味，臭氧可以氧化有机物，可以有效去除异味。同时，臭氧还能与污水中的氨氮和亚硝酸盐反应，将它们转化为硝酸盐形式的氮，然后去除。莫德清等人的研究表明，当臭氧量为20mg/L时，色度、氨氮、悬浮物、BOD、COD、致癌物可分别降低90%、20%、60%、70%、40%和40% . 80%。
垃圾渗滤液中的污染物来自不同的垃圾填埋场，包括多种有毒有害的有机和无机物质，对人体有致癌作用。垃圾渗滤液中的大部分有机物难以降解，其中有机腐殖质最为典型，如果垃圾渗滤液处理不当，将对周围水体、地下水和居民生活造成较大危害。臭氧应用于垃圾渗滤液处理时，一般采用生物-臭氧-生物处理工艺。大部分可降解物质通过第一阶段的生物处理很容易去除，氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐也被降解。达到较低浓度后，部分难降解有机物被臭氧氧化降解，在后续的生物处理中进一步去除。
臭氧氧化技术可分解污水中难降解的有机物，去除无机物，杀菌消毒，具有良好的脱色、除臭效果，可大大提高出水水质，已在实际应用中得到体现.随着污水排放标准的不断提高和污水处理技术的发展，臭氧技术得到广泛应用，为臭氧联合生物处理工艺进一步提高污水处理效率提供了更多可能。