臭氧可處理各類污水，如生活污水、垃圾滲濾液、紡織印染廢水、電鍍氰化廢水等工業廢水。通常，臭氧氧化過程可以在污水處理的各個階段進行。目前，在實際應用中，臭氧接觸系統往往布置在多級生物處理系統的化學氧化之前或之后，即臭氧前接觸系統和臭氧后接觸系統。有時，根據污水的具體性質，前臭氧和后臭氧都用于水質條件。通過各個階段的臭氧氧化，增強污水的絮凝效果，減少三鹵甲烷和三鹵甲烷的前體物質。同時有效分解降解水中的有機物，氧化溶解鐵錳。無機有色離子等不溶物可增強脫色、除臭、除臭效果，達到排放標準。
生活污水和垃圾滲濾液的處理
在生活污水處理中，臭氧氧化主要用于消毒、脫色和降低污水中COD、B0D和懸浮物的濃度，同時將難降解的有機物氧化成易降解的有機物，以提高污水的生物降解性等：臭氧具有很強的消毒能力。在一些歐美國家，污水必須經過消毒達到排放標準才能進入受納水體。以往污水處理常用的消毒劑是氯，但氯在消毒過程中容易產生氯仿等致癌物，對水體造成二次污染：而臭氧消毒是直接作用于細菌，細菌可以在幾秒鐘內被消除。殺菌和殺滅病毒的能力是氯的千倍。臭氧可以去除水分。特殊氣味和懸浮物也有促進作用，生活污水在處理過程中會產生很大的異味，臭氧可以氧化有機物，可以有效去除異味。同時，臭氧還能與污水中的氨氮和亞硝酸鹽反應，將它們轉化為硝酸鹽形式的氮，然后去除。莫德清等人的研究表明，當臭氧量為20mg/L時，色度、氨氮、懸浮物、BOD、COD、致癌物可分別降低90%、20%、60%、70%、40%和40% . 80%。
垃圾滲濾液中的污染物來自不同的垃圾填埋場，包括多種有毒有害的有機和無機物質，對人體有致癌作用。垃圾滲濾液中的大部分有機物難以降解，其中有機腐殖質最為典型，如果垃圾滲濾液處理不當，將對周圍水體、地下水和居民生活造成較大危害。臭氧應用于垃圾滲濾液處理時，一般采用生物-臭氧-生物處理工藝。大部分可降解物質通過第一階段的生物處理很容易去除，氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽也被降解。達到較低濃度后，部分難降解有機物被臭氧氧化降解，在后續的生物處理中進一步去除。
臭氧氧化技術可分解污水中難降解的有機物，去除無機物，殺菌消毒，具有良好的脫色、除臭效果，可大大提高出水水質，已在實際應用中得到體現.隨著污水排放標準的不斷提高和污水處理技術的發展，臭氧技術得到廣泛應用，為臭氧聯合生物處理工藝進一步提高污水處理效率提供了更多可能。