將流態的原生、濃縮或消化污泥脫除水分，轉化為半固態或固態泥塊的一種污泥處理方法。經過脫水後，污泥含水率可降低到55～80％，視污泥和沉渣的性質和脫水設備的效能而定。污泥的進一步脫水則稱污泥幹化，幹化污泥的含水率低於10％。脫水的方法，主要有自然幹化法、機械脫水法和造粒法。自然幹化法和機械脫水法適用於污水污泥。造粒法適用於混凝沉澱的污泥。
自然幹化法 主要構築物是污泥幹化場，，一塊用土堤圍繞和分隔的平地，如果土壤的透水性差，可鋪薄層的碎石和砂子，並設排水暗管。依靠下滲和蒸發降低流放到場上的污泥的含水量。下滲過程約經2～3天完成，可使含水率降低到85％左右。此後主要依靠蒸發，數周後可降到75％左右。污泥幹化場的脫水效果，受當地降雨量、蒸發量、氣溫、濕度等的影響。一般適宜於在幹燥、少雨、沙質土壤地區采用。
機械脫水法 通常污泥先進行預處理，改善脫水性能後再脫水。目前最通用的預處理方法是投加無機鹽或高分子混凝劑。此外，還有淘洗法和熱處理法。機械脫水法有過濾和離心法。過濾是將濕污泥用濾層（多孔性材料如濾佈、金屬絲網）過濾，使水分（濾液）滲過濾層，脫水污泥（濾餅）則被截留在濾層上。離心法是借污泥中固、液比重差所產生的不同離心傾向達到泥水分離。過濾法用的設備有真空過濾機、板框壓濾機和帶式過濾機。真空過濾機連續進泥，連續出泥，運行平穩，但附屬設施較多。板框壓濾機為化工常用設備，過濾推動力大，泥餅含水率較低，進泥、出泥是間歇的，生產率較低。人工操作的板框壓濾機，勞動強度甚大，現在大多改用機械自動操作。帶式過濾機是新型的過濾機，有多種設計，依據的脫水原理也有不同（重力過濾、壓力過濾、毛細管吸水、造粒），但它們都有回轉帶，一邊運泥，一邊脫水，或隻有運泥作用。它們的復雜性和能耗都相近。離心法常用臥式高速沉降離心脫水機（見圖），由內外轉筒組成，轉筒一端呈圓柱形，另一端呈圓錐形。轉速一般在3000轉/分左右或更高，內外轉筒有一定的速差。離心脫水機連續生產和自動控制，衛生條件較好，占地也小，但污泥預處理的要求較高。
機械脫水法主要用於初次沉淀池污泥和消化污泥。脫水污泥的含水率和污泥性質及脫水方法有關。一般情況下，真空過濾的泥餅含水率為60～80％，板框壓濾為45～80％，離心脫水為80～85％。
造粒脫水法 水中造粒脫水機是近年來發展的一種新設備。其主體是鋼板制成的臥式筒狀物，分為造粒部、脫水部和壓密部，繞水平軸緩慢轉動。加高分子混凝劑後的污泥，先進入造粒部，在污泥自身重力的作用下，絮凝壓縮，分層滾成泥丸，接著泥丸和水進入脫水部，水從環向泄水斜縫中排出。最後進入壓密部，泥丸在自重下進一步壓縮脫水，形成粒大密實的泥丸，推出筒體。造粒機構造簡單，不易磨損，電耗少，維修容易。泥丸的含水率一般在70％左右。
在污水廠的污泥脫水過程中所產生的濾液，除幹化床的濾液污染物含量較少外，其他都含有高濃度的污染物質。因此這些濾液必須處理，一般是與入流廢水一起處理。