臭氧具有强氧化性能，通过控制工艺条件能够产生高氧化活性的羟基自由基（ · OH），· OH对难降解的有机物具有很强的氧化作用，生成二氧化碳、水等无机物，因此在污水处理中对杀菌、除臭、除色、除有机物和降低CODCr 具有显著效果。臭氧氧化法用于废水处理无永久性残留，氧化性强，反应速度快，不产生二次污染，废水中的臭氧易分解，增加了水中溶解氧。韩超等用生化处理后的煤气化废水作为臭氧氧化深度处理试验用水，采用O3-MBR 组合工艺对废水进行氧化处理。结果显示，臭氧氧化可以明显提高废水的生化性。Van Leeuwen 等通过实验证明，臭氧对氰和硫氰酸盐的去除率达95% 以上；在用于处理活性污泥出水时，脱色效果优于活性炭；张国涛等研究固定床连续式催化氧化深度处理CODCr 高达300 mg/L 的煤气化废水，加入微量臭氧后，水处理装置CODCr 去除率提高了45%，同时，臭氧氧化后BOD5/CODCr由0.04 增至0.25 左右，废水的可生化性得到一定的改善。

臭氧氧化工艺的基础建设投资较大，能耗大，废水处理成本高，臭氧产生效率低，且较难溶于水；同时，臭氧用于水处理时会产生消毒副产物。以上是臭氧氧化工艺推广面临的难点，也是该工艺当前研究的热点。