臭氧氧化处理工艺单独使用时，一般以直接氧化途径为主，存在选择性氧化和处理不彻底等缺点，同时臭氧在水中的溶解度比较低，稳定性差接触时间短，利用率低等缺点。因此一般通过引入其他的能量或者强化手段，使氧化体系产生具有强氧化性和无选择性的羟基自由基。
引发反应：OH-和臭氧反应,形成过氧化阴离子自由基·和一个氢过氧化自由基。氢过氧化自由基处于酸碱平衡状态。
自由基链反应：由臭氧和过氧化阴离子自由基形成的臭氧阴离子自由基•O3很快分解,产生一个轻基自由基•OH。
终止反应：一些有机和无机物质与·自由基反应不产生这些氧化自由基。这些终止剂通常会终止链反应,抑止臭氧的分解，如CO3-和HCO3-。
在不同反应器压力下，液相中由于羟基自由基捕获量随着运行时间的延长而增大，其浓度也逐渐升高。但随着反应器中压力增加，液相中·OH 浓度的增加更加明显，表明压力升高有助于羟基自由基的产生。
臭氧微气泡对TOC 的高效去除主要是·OH 作用。酸性和碱性条件下，TOC 去除速率显著高于中性条件。
温度在25～35 ℃时，水中羟基自由基浓度随温度的增加而增加。这是由于随着体系温度升高臭氧在水中稳定性减弱，分解速率上升，微气泡臭氧在分解过程中气泡收缩破裂现象更加剧烈，从而加快了羟基自由基产生速率。而在35～40 ℃时，液相中·OH 基本保持不变，这主要是由于·OH 的产生来源于液相中臭氧的分解反应，而在温度较高情况下，液相中臭氧浓度较低，因此·OH 不再随体系温度的升高而明显增加。