Η θερμική επεξεργασία είναι συνήθως ένας όρος που αναφέρεται σε μια μέθοδο επεξεργασίας απορριμμάτων που δεν μπορούν να ανακυκλωθούν πίσω στον τομέα των καταναλωτικών προϊόντων. Με την εφαρμογή θερμότητας στα απόβλητα σε συγκεκριμένα επίπεδα ή, στην πραγματικότητα, με την αποτέφρωση τους, ο όγκος των μη ανακτήσιμων υλικών μειώνεται δραματικά και τα εύφλεκτα υλικά καίγονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από απόβλητα σε ενέργεια. Ένα σχετικό πεδίο της θερμικής επεξεργασίας είναι η επεξεργασία μολυσμένου εδάφους ή υπόγειων υδάτων για την απομάκρυνση των ρύπων. Ο πρωταρχικός στόχος τέτοιων επεξεργασιών είναι ο διαχωρισμός των υδρογονανθράκων και άλλων οργανικών ενώσεων από ανόργανα υλικά όπως τα βαρέα μέταλλα και τα μεταλλικά άλατα. Μερικές από τις βιομηχανίες που βασίζονται στη θερμική επεξεργασία για οικονομική απόδοση και συμμόρφωση με τους περιβαλλοντικούς νόμους είναι ο τομέας διαχείρισης αστικών απορριμμάτων, οι κλιβάνοι τσιμέντου και η αναδυόμενη βιομηχανία θερμικού αποπολυμερισμού (TDP) που παράγει αργό πετρέλαιο από απόβλητα.
Η διαχείριση των απορριμμάτων μέσω θερμικής επεξεργασίας δεν είναι πάντα μια διαδικασία τελικού σταδίου για τα απόβλητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η διαδικασία παράγει απόβλητα ενώσεις που συμμορφώνονται με την περιβαλλοντική νομοθεσία και μπορούν να απορριφθούν σε χώρους υγειονομικής ταφής. Σε περιπτώσεις όπου παράγονται υψηλές ποσότητες ενώσεων βαρέων μετάλλων, αυτά τα υλικά πρέπει να υποβάλλονται σε περαιτέρω επεξεργασία ή να αποστέλλονται σε εγκαταστάσεις που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα απόβλητα σε κάποιο είδος βιομηχανικής παραγωγής. Το κόστος για την επεξεργασία των απορριμμάτων με θερμικές μεθόδους θεωρείται, ωστόσο, αρκετά χαμηλό και είναι ως επί το πλείστον παράγοντας κόστους εργασίας.
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι θερμικής επεξεργασίας για τα απόβλητα από το 2011. Η αποτέφρωση χρησιμοποιείται σε κλιβάνους τσιμέντου σε θερμοκρασίες 2,552° έως 2,732° Fahrenheit (1,400° έως 1,500° Κελσίου), όπου οι ενώσεις υδρογονανθράκων καταστρέφονται ή καίγονται για καύσιμο, και εφαρμόζεται επίσης σε επικίνδυνες μορφές βιολογικών αποβλήτων όπως αυτά που παράγονται στον ιατρικό τομέα. Άλλες προσεγγίσεις για την αποτέφρωση περιλαμβάνουν την πυρόλυση που περιλαμβάνει τη διάσπαση οργανικών ενώσεων χωρίς οξυγόνο και την αεριοποίηση που αντιδρά τις ίδιες ενώσεις με οξυγόνο και ατμό για να παράγει αέριο σύνθεσης, ένα καύσιμο που αποτελείται κυρίως από μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο.
Η θερμική εκρόφηση είναι η δεύτερη μέθοδος θερμικής επεξεργασίας που είναι διαθέσιμη από το 2011, όπου οι ενώσεις εξατμίζονται αλλά δεν καίγονται. Η μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία μολυσμένου νερού και εδάφους επί τόπου, για την αφαίρεση πτητικών οργανικών ενώσεων που εξατμίζονται και συλλέγονται για περαιτέρω χρήση ή διάθεση. Η επεξεργασία του εδάφους ή του νερού με αυτόν τον τρόπο γίνεται με διάφορες μεθόδους, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρικής αντίστασης και της θέρμανσης με ραδιοσυχνότητες ή της έγχυσης καυτών ενώσεων όπως ο αέρας, το νερό ή ο ατμός. Το έδαφος και το νερό που έχουν ακραία επίπεδα μόλυνσης, όπως από ραδιενεργά απόβλητα, υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω μιας διαδικασίας θερμικής εκρόφησης γνωστής ως υαλοποίηση, όπου τα υλικά μετασχηματίζονται σε έναν τύπο γυαλιού που αφαιρεί οργανικές ενώσεις και παγιδεύει μέταλλα και ραδιονουκλίδια. Η υαλοποίηση είναι μια δαπανηρή διαδικασία, ωστόσο, που πρέπει να διεξάγεται σε θερμοκρασίες από 2,912° έως 3,632° Fahrenheit (1,600° έως 2,000° Κελσίου).
Ο θερμικός αποπολυμερισμός είναι μια άλλη μορφή θερμικής επεξεργασίας απορριμμάτων, η οποία χρησιμοποιεί την πρώτη ύλη απορριμμάτων βιομάζας και πλαστικού σε μια επιταχυνόμενη εκδοχή της φυσικής διαδικασίας που παράγει ορυκτά καύσιμα. Πίεση και θερμότητα εφαρμόζονται στα απόβλητα κατά τη διάρκεια αρκετών ωρών για να διασπαστεί η μοριακή δομή των ενώσεων σε απλούστερες αλυσίδες υδρογονανθράκων. Αρχικά, ο θερμικός αποπολυμερισμός απαιτούσε περισσότερη ενέργεια για τη δημιουργία του καυσίμου από ό,τι το ίδιο το καύσιμο θα μπορούσε να προσφέρει μέχρι το 1996, όταν οι βελτιώσεις στη διαδικασία το κατέστησαν οικονομικά βιώσιμο.
Υπολογίζεται ότι, έως το 2007, τουλάχιστον 3,198,916 τόνοι αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ) μετατρέπονταν σε ενέργεια σε ετήσια βάση από τις τρεις κορυφαίες δυτικές εταιρείες στον τομέα. Αυτή είναι μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα των στερεών αποβλήτων που παράγονται πραγματικά σε όλο τον κόσμο ετησίως, ωστόσο, με την Κίνα μόνο να παράγει περίπου 211,000,000 τόνους ΑΣΑ μόνο το 2007. Η Ιαπωνία εκτιμάται ότι κατέχει ηγετική θέση παγκοσμίως από το 2007 στη θερμική επεξεργασία ΑΣΑ, όπου επεξεργάστηκαν πάνω από 40,000,000 τόνοι. Το σημαντικότερο μειονέκτημα της θερμικής επεξεργασίας είναι ότι, παρά τους αυστηρούς ελέγχους, η διαδικασία δημιουργεί σημαντικές ποσότητες εξαιρετικά τοξικών ατμοσφαιρικών ρύπων, όπως ενώσεις διοξίνης, υδράργυρος και μονοξείδιο του άνθρακα.