污泥焚烧是使污泥在高温下燃烧、将污泥中所有水分（包括干化法不能去除的内部水）和有机物全部去除的方法，污泥焚烧可以使污泥含水率降到0,污泥本身变成灰烬，S、N、金属、卤素和其他元素都被转变成各种终产物，体积通常可以缩小到脱水污泥体积的1/10以下。污泥有一定的热值，干污泥的发热量大约相当于煤炭的30%-50%,污泥焚烧主要是燃烧污泥中的可挥发性部分，即污泥中的有机成分。当污泥不符合卫生要求、有毒物质含量高、用地紧张时、填埋等处置受到限制时，才采用焚烧处理，可与煤炭或城市垃圾混合焚烧并利用产生的热量发电。对于少量有害的工业污泥或有机物浓度极高的工业废水，可用燃油或燃气焚烧炉进行焚烧处理。
污泥焚烧的优点是：可以实现大限度减量化，病原体均被杀灭，有毒污染物被氧化，难以被好氧或厌氧微生物在短时间内降解的有机物质如砒啶、纤维、橡胶、氯代烃类等可以被迅速氧化，且在阴雨连绵等恶劣天气条件下不需存储设备。污泥灰烬中重金属活性比污泥要低得多，利用适当的空气净化设备可使排放气体达标，焚烧污泥产生的热能可以实现综合利用如发电等。污泥焚烧可以使剩余污泥的体积减少到小，是一种相对安全的污泥处置方式，焚烧后剩下的焚烧灰可以用做建筑材料、使重金属被固定在混凝土中而避免其重新进人环境。
污泥焚烧的缺点是需要消耗大量的能源，运行管理复杂，需要专业人员管理，其中流化床焚烧炉需要使用不锈钢制造，造价昂贵。因经济能力所限，我国目前还难以采用这一方式处置城市污泥。而多是将污泥与垃圾混合焚烧，可以降低一部分投资和运行成本。但污泥焚烧如果没有空气净化设备，燃烧过程中产生的有毒有害气体会造成空气污染，如目前已成为环境热点的二嗯英污染问题，污泥和垃圾焚烧已被确认为是产生二嗯英的主要原因之一。
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