污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤，物理吸附、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此处理系统中的净化是一个综合净化过程。主要污染物的去除途径如下：
（1）悬浮物质的去除。污水中的悬浮物质是依靠作物和土壤颗粒间的孔隙截留、过滤去除的。土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状、大小、分布和水流通道，以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截留过滤效果。若悬浮物浓度太高、颗粒太大会引起土壤堵塞。
（2）BOD的去除。BOD大部分是在土壤表层土中去除的。土壤中含有大量的种类繁多的异养型微生物，他们能对被过滤、截留在土壤颗粒空隙间的悬浮有机物和溶解有机物进行生物降解，并合成微生物新细胞。当处理水的BOD负荷超过土壤微生物分解BOD的生物氧化能力时，会引起厌氧状态或土壤堵塞。
（3）磷和氮的去除。在土地处理中，磷主要是通过植物吸收，化学反应和沉淀，物理吸附和沉积，物理化学吸附等方式被去除。其去除效果受土壤结构、离子交换容量、铁、铝氧化物和植物对磷的吸收等因素影响。
（4）病原体的去除。污水经土壤过滤后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可达92%-97%。其去除率与选用的土地处理系统工艺有关，其中地表漫流的去除率略低，但若有较长的漫流距离和停留时间，也可达到较高的去除效率。
（5）重金属的去除。重金属的去除主要是通过物理化学吸附、化学反应与沉淀等途径被去除的。重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子交换而被置换、吸附，并生成难溶性化合物被固定于矿物晶格中；重金属离子等土壤的某些组分进行化学反应，生成金属磷酸盐和有机重金属等沉积于土壤中。
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