自从臭氧在水处理中应用以来，由于臭氧处理技术的设备和运行费用较高，尽管进行了广泛的研究，但除了用于饮用水消毒外，其他的实际应用很少。近年来，由于在水处理实践中遇到了诸如氯消毒副产物、难生物降解或有毒有害有机废水的治理等缺乏有效的方法等困难，又随着臭氧发生设备性能的提高，臭氧技术才重新得到了重视，并且改进和发展了臭氧水处理技术。
臭氧/活性炭技术
活性炭在反应中，可能如同碱性溶液中·OH的作用一样，能引发臭氧基型链反应，加速臭氧分解生成·OH等自由基。作为催化剂，活性炭与臭氧共同作用降解微量有机污染物的反应与其他涉及臭氧生成·OH的反应（如提高pH值、投加H2O2，UV辐射）一样，属于高级氧化技术。此外，活性炭具有巨大表面积及方便使用的特点，是一种很有实际应用潜力的催化剂。臭氧生物活性炭对有机物的去除包括臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解等3个过程。
光催化臭氧氧化
光催化臭氧氧化（O3/UV）是光催化的一种。即在投加臭氧的同时，伴以光（一般为紫外光）照射。这一方法不是利用臭氧直接与有机物反应，而是利用臭氧在紫外光的照射下分解产生的活泼的次生氧化剂来氧化有机物。臭氧能氧化水中许多有机物，但臭氧与有机物的反应是选择性的，而且不能将有机物彻底分解为CO2和H2O，臭氧化产物常常为羧酸类有机物。要提高臭氧的氧化速率和效率，必须采用其他措施促进臭氧的分解而产生活泼的·OH自由基。自从20世纪70年代初，人们发现O3/UV能有效处理氰化物废水以来，对O3/UV氧化方式进行了许多研究。研究证明，O3/UV比单独臭氧处理更有效，而且能氧化单纯用臭氧难以降解的有机物。只有在酸性时，臭氧才是主要的氧化剂，中性及碱性时氧化是按自由基反应模式进行的；在O3/UV，O3情形下，酚及TOC的去除率随pH值升高而升高，在一定的pH值时，3种方法的处理效果为O3/UV>O3>UV。
臭氧/絮凝处理工艺
在臭氧氧化处理水中，很多研究者发现，臭氧能改变水中悬浮物的性质，从而改变絮凝操作单元的去除效果。实际效果主要表现在可以使水中悬浮颗粒变大；使处于溶解状态的有机物变成可絮凝的胶体颗粒；提高随后絮凝和过滤单元操作TOC和浊度的去除能力；可以减少絮凝剂的投加量，降低化学药品的耗用量以及改善絮体的沉降性能与减少污泥的产生量等方面。
臭氧/膜处理工艺
近年来，膜在水处理中的应用已越来越广泛，但在实际应用中也发现了一些问题。其中最为关键的是膜的污染问题，水中腐殖酸与多价金属阳离子的作用及胶粒在膜上的吸附被认为是膜污染的根本原因。而臭氧对腐殖酸的反应活性较高，能将其降解为低分子量的羧酸和一些有醇类物质。Lozier等利用臭氧与反渗透膜相结合的工艺处理腐殖酸水体，结果发现，预臭氧化后再经膜处理时，膜的回洗周期极大地延长，而且压力降也大大降低，这样就节省了很多能耗。Dunn等在利用此工艺处理河水时也发现，预臭氧化不但能使膜的压力降降低，而且出水的浊度也有所改善。
金属催化臭氧氧化技术
金属催化臭氧氧化是以固体状的金属（金属盐及其氧化物）为催化剂，从而加强臭氧氧化反应。金属催化臭氧氧化是近几年才发展起来的新型技术，从臭氧技术的发展来看，从一开始的碱催化剂到光催化、金属催化臭氧化，目的就是促进O3分解，以产生自由基等活性中间体来强化臭氧化。尽管这种方法还有很多问题有待解决，但这是臭氧氧化的一种较新颖的方法。
