Termička obrada najčešće je pojam koji se odnosi na metodu obrade otpada koji se ne može reciklirati natrag u sektor potrošačkih proizvoda. Primjenom topline na otpad na određenim razinama, ili, zapravo, spaljivanjem, volumen nepovratnih materijala se dramatično smanjuje, a zapaljivi materijali se spaljuju za proizvodnju električne energije iz otpada u energiju. Srodno područje toplinske obrade je obrada onečišćenog tla ili podzemne vode radi uklanjanja onečišćujućih tvari. Primarni cilj takvih tretmana je odvajanje ugljikovodika i drugih organskih spojeva od anorganskih materijala poput teških metala i metalnih soli. Neke od industrija koje se oslanjaju na toplinsku obradu za ekonomsku učinkovitost i usklađenost sa zakonima o okolišu su sektor gospodarenja komunalnim otpadom, cementne peći i nova industrija toplinske depolimerizacije (TDP) koja stvara sirovu naftu iz otpada.
Gospodarenje otpadom kroz termičku obradu nije uvijek završna faza procesa za otpad. U nekim slučajevima, proces proizvodi otpadne spojeve koji su u skladu sa zakonima o zaštiti okoliša i koji se mogu odložiti na odlagalištima. U situacijama kada se proizvode velike količine spojeva teških metala, ti se materijali moraju dalje prerađivati ili otpremati u pogone koji mogu koristiti otpad u nekoj vrsti industrijske proizvodnje. Trošak obrade otpada toplinskim metodama smatra se prilično niskim, međutim, i uglavnom je faktor troškova rada.
Postoje dvije glavne vrste termičke obrade otpada od 2011. Spaljivanje se koristi u cementnim pećima na temperaturama od 2,552° do 2,732° Fahrenheita (1,400° do 1,500° Celzijusa), gdje se ugljikovodični spojevi uništavaju ili spaljuju kao gorivo, a također se primjenjuje na opasne oblike biološkog otpada poput onog koji se proizvodi u području medicine. Drugi pristupi spaljivanju uključuju pirolizu koja uključuje razgradnju organskih spojeva bez prisutnog kisika i rasplinjavanje kojim se isti spojevi reagiraju s kisikom i parom kako bi se dobio sintetski plin, gorivo koje se sastoji uglavnom od ugljičnog monoksida i vodika.
Toplinska desorpcija je druga metoda toplinske obrade dostupna od 2011., gdje se spojevi isparavaju, ali ne izgaraju. Metodologija se može koristiti za tretiranje onečišćene vode i tla na licu mjesta, za uklanjanje hlapljivih organskih spojeva koji se isparavaju i prikupljaju za daljnju upotrebu ili odlaganje. Obrada tla ili vode na ovaj način provodi se različitim metodama, uključujući električni otpor i radiofrekventno zagrijavanje ili ubrizgavanje vrućih spojeva kao što su zrak, voda ili para. Tlo i voda koji imaju ekstremne razine kontaminacije, kao što je radioaktivni otpad, obrađuju se kroz proces toplinske desorpcije poznatog kao vitrifikacija, gdje se materijali pretvaraju u vrstu stakla koje uklanja organske spojeve i zadržava metale i radionuklide. Međutim, vitrifikacija je skup proces koji se mora provoditi na temperaturama od 2,912° do 3,632° Fahrenheita (1,600° do 2,000° Celzijusa).
Toplinska depolimerizacija je još jedan oblik toplinske obrade otpada, koji koristi sirovinu otpadne biomase i plastike u ubrzanoj verziji prirodnog procesa koji stvara fosilna goriva. Tlak i toplina se primjenjuju na otpad tijekom nekoliko sati kako bi se razgradila molekularna struktura spojeva u jednostavnije ugljikovodične lance. U početku je toplinska depolimerizacija zahtijevala više energije za stvaranje goriva nego što je samo gorivo moglo dati do 1996. godine kada su ga poboljšanja u procesu učinila ekonomski održivim.
Procjenjuje se da je od 2007. godine najmanje 3,198,916 tona čvrstog komunalnog otpada (MSW) godišnje pretvarano u energiju od strane tri vodeće zapadne tvrtke na tom području. To je samo vrlo mala količina čvrstog otpada koji se stvarno proizvodi diljem svijeta godišnje, međutim, samo je Kina proizvela oko 211,000,000 tona komunalnog otpada samo u 2007. godini. Procjenjuje se da je Japan od 2007. godine vodeći u svijetu u toplinskoj obradi komunalnog otpada, gdje je prerađeno više od 40,000,000 tona. Glavni nedostatak termičke obrade je taj što, unatoč strogim kontrolama, proces stvara značajne količine vrlo toksičnih zagađivača zraka, kao što su spojevi dioksina, živa i ugljični monoksid.