主要是使污泥中的有机物发生降解、熟化或转移，减少污泥中病原体数量，降低病媒吸引力，减轻令人不快的气味，回收污泥中能源，使污泥更便于利用。常用的污泥稳定化工艺包括污泥消化、污泥好氧发酵、污泥石灰稳定等。污泥热干化（见污泥干化）在功能上也可满足污泥稳定的要求，但一般作为一种单独的污泥处理工艺。对于规模较小（如处理能力小于5万米³/日）的污水处理厂，通过采用延时曝气（如污泥龄≥15天）工艺，实现污泥稳定。

污泥石灰稳定是在脱水污泥中按照一定比例加入添加剂活性钙，在污泥快速干燥机的反应仓内充分搅拌混合，使污泥和添加剂混合均匀。污泥中的水分和添加剂中的石灰快速发生化学反应，同时放出大量的热量，使混合体温度升高到80～100℃，经过短时间则可生成颗粒直径3～5毫米的灰土物质。在强碱性条件下，污泥中的部分病原菌被杀死，大部分有机物得到降解，部分水分蒸发，降低了污泥的含水率，使污泥在短时间内达到稳定化。污泥石灰稳定处理时，pH值达到12以上的持续时间不小于2小时，之后在pH值为11.5以上时再保持22小时。石灰稳定的主要作用是解决了污泥的臭气问题和杀死病原菌，石灰稳定后污泥更容易脱水。经石灰稳定的污泥具有较好的利用价值：①可用于道路路基土；②可用于垃圾填埋场的覆盖土；③可用于水泥厂制作水泥的填料；④可制成便道的地砖、隔离带砖；⑤可与生活垃圾混合填埋。石灰稳定存在的不足是加石灰稳定后实际上并没有直接降解有机物，并增加了污泥体积。

延时曝气是污泥负荷低、曝气时间长、污泥产量少的活性污泥法处理工艺。其曝气时间一般多在24小时以上，甚至可长达36小时，污泥龄为20～30天，不但污水中有机物被氧化，而且活性污泥本身也同时被氧化，所以也称完全氧化法。延时曝气出水口的微生物处于内源呼吸期，产生少量容易脱水的、无臭而较为稳定的污泥。延时曝气一般不设初次沉淀池，可以采用完全混合曝气池，也可采用推流曝气池。池中活性污泥浓度较普通曝气高得多，可达2500～5000毫克/升，污泥回流比为0.6～2.0，出水水质稳定，污水生化需氧量（BOD₅）总处理效率可达95%以上，且有相当一部分氨态氮被氧化为硝态氮和亚硝态氮。延时曝气的曝气时间长，曝气池容积大，氧的消耗较多（约为普通曝气的2倍），活性污泥沉降性较差，所以适用于中小型污水处理厂，或污水中存在较难生物降解的污染物（如某些工业废水），或处理程度要求高的地区。这种系统管理较简单，污泥量少易于处置，常为远离市区的非市政性污水处理厂（如医院、学校、厂矿和一些独立居民区）所采用。

实际应用中，针对不同的污泥稳定化工艺可以采用过程控制指标或产品指标来衡量。如对于长泥龄的延时曝气工艺，污泥的比耗氧速率持续低于1.5毫克氧/（克生物量·时），可认为污泥达到稳定化要求；对于厌氧消化工艺，挥发性有机固体降解率＞40%，粪大肠菌群＜2×10⁶个/克可认为达到稳定化要求。