土壤快濾淨化工程的起源
在宇宙裡，氧是非常稀有的氣體，約只佔0.8%；但地球上卻有許多的氧，占海洋重量的85.8%、地殼的46.6%、空氣的23.2%。宇宙裡，沒有一顆星球像地球有這麼多氧。氧在地球上，勢必有些特殊的用途與目的，是被一般人所忽略的。
許多的學門都有一門或二門最基本的學科，如果明白這基本的學科，就比較容易了解那個學門。保護地球生態環境是許多人關懷的主題，也是人類在21世紀所要持續面對的問題；甚至在未來，可能人類頭腦最好的一群人，可能會去對付人類自己所製造的汙染問題。在科學範疇裡，了解生態環境最基本的學科就是「環境化學」，許多有關生態環境保護的學問，包括自然淨化工程，都是由這門課延伸出去的。
水質指標的設定
最開始提出環境化學的人，是著名的科學家富蘭克南（Edward
Frankland,
1825-1899）。化學課本裡的「化學鍵」理論、有機物的「同分異構物」，都是他先提出來的。不過他對生態環境最大的貢獻是提出：「汙染不只是現象的敘述，而是要經由準確的科學量測來呈現」。富蘭克南在1868年擔任英國皇家學會的化學教授期間，最早提出應該建立「環境指標」來量化環境汙染。
富蘭克南注意的是流經倫敦的泰晤士河水質依然不佳，因此用河流流域的觀點來探討泰晤士河的汙染問題。他首先在皇家學會內成立第一個「河川水質分析實驗室」，這是第一間環境化學實驗室，探討河川水質的指標與實驗方法。
溶氧與生化需氧量
經過二十五年的細心研究，富蘭克南才訂出水中氧氣的濃度（簡稱溶氧，dissolved
oxygen）為河川水質汙染的指標，並訂出過錳酸鉀分析溶氧的實驗。他在1893年提出河川遭受汙染，水中的溶氧就會遞減，水中微生物的種類與數量就會隨之改變。缺氧時，微生物代謝產生的氣體如硫化氫，造成汙染河川的臭味。為此富蘭克南首先提出增加河川曝氣的機會，就能改善河川的汙染。他又研究水中溶氧減少的原因，是微生物（尤其是細菌）代謝分解有機物時所耗掉，他稱這些耗掉的氧氣為「生化需氧量」（biochemical
oxygen demand, BOD）。並認為增加河川的曝氧量，要超過生化需氧量，才能增加水中的溶氧量。為此，富蘭克南被稱為「環境化學之父」。
由於水流從泰晤士河上游，游到下游所花的時間為5天，他稱這5天細菌分解有機質所用的氧氣為「5天生化需氧量」（簡寫為BOD5）。迄今，BOD5是普世河川汙染的量化指標。由BOD5的量測裡，富蘭克南發現，空氣溶入水中所增加的溶氧量，無法滿足細菌分解有機物所需的氧氣量，因此單靠大自然的自淨作用無法解決河川汙染的問題，人類必須要負起管理的責任，而非全然依賴大自然。
讓氧氣持續幫助汙水淨化
富蘭克南根據溶氧與生化需氧量的理論，進而提出河水淨化的設施──「砂濾」（sand
filter），他讓汙水流快速流過約60公分深的砂層，只要保持砂層的空氣流通，一方面讓砂層間的細菌分解汙水，一方面好氧狀態能夠讓原生動物（protoza）生存，原生動物攝食大量細菌，就能避免砂層裡細菌生長過多而淤泥過多，產生阻塞。
富蘭克南考慮的非常周到，他將砂層底下的土壤夯實，先舖上細石子，再舖上防漏的黏土層，以免流經砂層的汙水汙染到地下水。長期以來，砂濾成為有效淨化汙水、造價與維護都低廉的工程方法。
環境化學成為保護生態環境最基礎的學問，也讓人們知道地球有這麼多的氧氣，利用這些氧氣，可以產生許多自然淨化的效益。
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