臭氧在化学性质上主要呈现强氧化性，氧化能力仅次于氟、·OH 和O( 原子氧) ，其氧化能力是单质氯的1.52倍。在水溶液中，臭氧污染物反应机理主要有臭氧直接氧化和自由基间接氧化反应两种。

臭氧与水中有机污染物之间的直接氧化反应,可以分两种方式:

(1) 亲电取代反应。亲电取代反应主要发生在分子结构中电子云密度较大的位置。在带有—OH、—CH3、—NH2等取代 基结构的分子中， 环中邻、对位上碳原子的电子云密度较大，这些位置上的碳原子易与臭氧发生亲电取代反应。

(2) 偶极加成反应。由于臭氧分子具有偶极结构( 偶极距约为0. 55D) ，所以臭氧分子与含不饱和键的分子相互作用时，可进行偶极加成反应。一般而言，臭氧的直接氧化反应速率较慢，而且反应具有选择性，所以其降解有机污染物的效率较低。

(1)自由基间接氧化降解按反应过程可以粗略分为两个阶段：第一阶段为臭氧的自身分解产生自由基。当溶液中存在引发剂如OH －等时可以明显加快臭氧分解产生自由基的速度。在第二阶段中，·OH与分子中的活泼结构单元( 如 环、—OH、—NH2等) 发生反应，并引发自由基链反应。随着反应的进行，分子结构被氧化破裂，分解转化为小分子有机物，如 、乙酸等，或进一步将这些有机小分子完全矿化( 以总有机碳( TOC) 为测试指标) 为CO2和H2O，从而达到降低出水中COD( 化学需氧量) 和提高处理后废水的可生物降解性的目的。

(2)·OH自由基的反应选择性很小，当水中存在多种污染物质时，不会出现一种物质得到降解而另一种物质浓度基本不变的情况。

臭氧与水中抗生素的反应较为复杂，在一个反应体系中，往往既出现臭氧直接氧化反应，又出现自由基间接氧化反应。溶液的pH 值对O3氧化反应选择何种机理起决定作用，在 性介质中以直接氧化反应为主，而在碱性介质中则以自由基间接氧化反应为主。