污泥焚烧是一种常见的污泥处置方法，它可破坏全部有机质，并杀死一切病原体，最大限度地减少污泥体积，焚烧残渣相对含水率约为75%的污泥仅为原有体积的10%左右。当污泥自身的燃烧热值较高，城市卫生要求较高，或污泥有毒物质含量高，不能被综合利用时，可采用焚烧处置方法。以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积，但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，有机物焚烧会产生二噁英等剧毒物质。污泥在焚烧前，一般应先进行脱水处理和热干化，以减少负荷和能耗。污泥焚烧在技术上是可行的，并已经达到了工业规模的程度。
污泥的焚烧基本上有四种方法。
（1）利用现有垃圾焚烧炉
现在垃圾焚烧炉大都采用了先进的技术，配有完善的尾气处理装置，可以在垃圾中混入30%的污泥一起焚烧。
（2）利用现有工业用炉焚烧污泥
主要利用沥青或水泥的焚烧炉，焚烧干化后的污泥。甚至是污泥的无机部分（灰渣）也几乎可以完全地被利用于产品之中。通过高温焚烧至1200℃，污泥中有机有害物质被完全分解，同时在焚烧中产生的细小水泥悬浮颗粒，会高效吸附有毒物质，而污泥灰一并熔融入水泥的产品之中。加入的干污泥量通常低于正常燃料的15%。
（3）在火力烧煤发电厂焚烧污泥
经过发电厂焚烧污泥研究证明，污泥占耗煤总量的10%以内，对于尾气净化以及发电站的正常运转没有不利影响。
（4）污泥单独焚烧
污泥单独焚烧设备有多段炉、回转炉、流动床炉、喷射式焚烧炉、热分解燃烧炉等。
焚烧处理的特点包括大大减少了污泥的体积和重量；杀死一切病原体；污泥处理速度快，不需要长期贮存；可以回收能量。但是，另一方面其较高的造价和烟气处理问题已经成为制约污泥焚烧工艺的主要因素。
当用地紧张，或污泥中有毒有害物质含量较高，无法采用其它处事方式时，可以考虑污泥的干化焚烧。在污水污泥中重金属和有毒有害物质含量超标，如上海市桃浦污水处理厂和石洞口污水处理厂，污泥不适合土地利用，则焚烧处理是一种有效的处置技术。
