污水土地處理系統的凈化機理十分復雜，它包含了物理過濾，物理吸附、物理化學吸附、化學反應和化學沉淀、微生物對有機物的降解等過程。因此處理系統中的凈化是一個綜合凈化過程。主要污染物的去除途徑如下：
（1）懸浮物質的去除。污水中的懸浮物質是依靠作物和土壤顆粒間的孔隙截留、過濾去除的。土壤顆粒的大小、顆粒間孔隙的形狀、大小、分布和水流通道，以及懸浮物的性質、大小和濃度等都影響對懸浮物的截留過濾效果。若懸浮物濃度太高、顆粒太大會引起土壤堵塞。
（2）BOD的去除。BOD大部分是在土壤表層土中去除的。土壤中含有大量的種類繁多的異養型微生物，他們能對被過濾、截留在土壤顆?？障堕g的懸浮有機物和溶解有機物進行生物降解，并合成微生物新細胞。當處理水的BOD負荷超過土壤微生物分解BOD的生物氧化能力時，會引起厭氧狀態或土壤堵塞。
（3）磷和氮的去除。在土地處理中，磷主要是通過植物吸收，化學反應和沉淀，物理吸附和沉積，物理化學吸附等方式被去除。其去除效果受土壤結構、離子交換容量、鐵、鋁氧化物和植物對磷的吸收等因素影響。
（4）病原體的去除。污水經土壤過濾后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可達92%-97%。其去除率與選用的土地處理系統工藝有關，其中地表漫流的去除率略低，但若有較長的漫流距離和停留時間，也可達到較高的去除效率。
（5）重金屬的去除。重金屬的去除主要是通過物理化學吸附、化學反應與沉淀等途徑被去除的。重金屬離子在土壤膠體表面進行陽離子交換而被置換、吸附，并生成難溶性化合物被固定于礦物晶格中；重金屬離子等土壤的某些組分進行化學反應，生成金屬磷酸鹽和有機重金屬等沉積于土壤中。
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