臭氧作用于水中污染物有两种途径，一种是直接氧化，即臭氧分子和水中的污染物直接作用。这个过程臭氧能氧化水中的一些大分子天然有机物，如腐殖酸、富里酸等，同时也能氧化一些挥发性有机污染物和一些无机污染物，如铁、锰离子。直接氧化作用缓慢，且具有一定的选择性，即臭氧分子只能和水中含有不饱和键的有机污染物或金属离子作用。另一种途径是间接氧化，臭氧部分分解产生羟基自由基和水中有机物作用，间接氧化反应相当快，具有非选择性，能够和多种污染物反应。 臭氧可将水中的Mn2+氧化成高价锰，使其变成沉淀物，在沉淀或过滤过程中去除。反应机理见下式：