焚烧(热分解)是指污泥固体在无氧或低氧气氛下，在高温(500 ~ 1000℃)下分解成气体、焦油、灰分等残渣的过程。污泥焚烧的主要对象是脱泥饼。脱泥饼含水量仍高达45% ~ 86%，含水量高，体积大，可干燥或焚烧。干燥后，污泥的含水率可降至20% ~ 40%。焚烧处理，含水量可以降到0，体积很小，便于运输和处置。
污泥焚烧的最初研究是由美国的Noack于1959年、Schlesinger于1960年以及匹兹堡能源中心的其他人开始的。它们的共同特点是回收能量。脱水污泥(含水率65% ~ 85%，固体热值7500 ~ 15000 kJ/kg)热值低。因此，焚烧过程中必须添加辅助燃料，所以应设计辅助燃料最少的工艺。世界上第一台燃烧污泥的流化床锅炉于1962年在美国华盛顿的林沃德建成，至今仍在运行。1970年以后，从1973年日本研究者平冈等人进行的基础研究开始，美国的Olexsey和Kalinske在1974年和1975年指出了焚烧技术的优越性。1976年10月在悉尼举行的第八届国际水污染研究会议上，Majima等人发表了一份关于多级炉分解的应用研究报告。1977年4月，在日本东京举行的日美下水道技术会议上，柏屋发表了关于大阪府川俣处理厂应用多级炉的报告。该报告证实了多级炉焚烧技术的实用性。之后在川俣处理厂等地建设了剩余污泥焚烧装置，至今运行良好。
三星建筑公司最近开发的一种新的污泥焚烧工艺正在韩国庆吉省的光洞里污水处理厂进行试运行。泰国Samutprakam正在建设东南亚最大的污水处理厂，其污泥处理单元将采用焚烧技术。全国城市污水厂中，只有深圳特区污水处理厂用于焚烧。工业废水污泥焚烧在中国很少使用。化工部第三设计院设计的齐鲁20万t乙烯污水处理厂，污泥量2100kg/h，采用两台卧式灰砖焚烧炉串联焚烧。北京燕山石油化工总厂设计的活性污泥流化床焚烧炉，热载体为粉砂针，污泥由压力喷嘴喷入炉内，燃烧的燃料与空气体混合产生热风。但是这个炉子现在不能连续运行了。香港政府决定建设两套日处理能力为6000吨的焚烧炉和能量回收设备。预计在2007年。第一组设备将投入使用。
焚烧炉包括旋转焚烧炉、多级焚烧炉、立式多级炉(多级竖炉)和流化床焚烧炉。流化床焚烧炉具有以下特点:①由于流化床内颗粒处于剧烈运动状态，颗粒与气体之间的传质、传热非常快，单位面积处理量非常大；②因为流化床处于完全混合状态。因此，加入到流化床中的固体废物，除了特别大的块之外，可以瞬间分散均匀；③由于载体本身能储存大量热量，处于流动状态，床层反应温度均匀，很少出现局部过热，床层温度容易控制。即使一次性投入大量可燃废弃物，也不会出现淬冷或发热现象；④在处理大量挥发性物质(如含油污泥)时，不存在像多段炉那样的爆炸风险；⑤流化床结构简单，装有机械传动部件，故障少，造价低；⑥空气体过剩系数可以少一些；⑦特别是流化床焚烧炉有其独特的优势，如燃料适应性广、SO2和NOx等有害气体易于控制、燃烧效率高、污泥焚烧灰渣可多次利用等。因此流化床焚烧炉得到了很好的应用，包括Dorr- Oliver流化床焚烧炉、Copeland流化床焚烧炉、旋转流化床焚烧炉、带干燥段的流化床焚烧炉等。
目前，在日本、奥地利、丹麦、法国、瑞士、德国等国家，污泥焚烧是污泥处置的主要方法。近年来，污泥焚烧技术逐渐成为污泥处理的主流，越来越受到世界各国的青睐。这是因为焚烧与其他方法相比具有突出的优势:①焚烧可以将剩余污泥的体积减少到最小，可以解决其他方法中污泥占用大量空的缺陷，这对于日益紧张的土地资源非常重要；(2)焚烧后剩余污泥中的水和有机物被分解，只剩下少量无机物作为焚烧灰，所以最终要处理的物质很少，不存在重金属离子的问题。焚烧灰可以制成建材等有用的产品，是一种相对安全的污泥处置方式；③污泥处理速度快，无需长期存放；④污泥可就地焚烧，无需长途运输；⑤可回收能量用于发电和供暖。