本实用新型公开了一种底泥深度脱水系统，包括一级脱水单元、二级脱水单元、三级脱水单元、余水处理单元，一级脱水单元包括初级沉淀池和筛分器，筛分器将初级沉淀池从上至下分为第一部分和第二部分；二级脱水单元包括均质混合器、第一加药装置、脱水箱，第二部分的出料口与均质混合器连通，第一加药装置用于向均质混合器中加入固化剂，均质混合器的出料口与脱水箱连通；三级脱水单元包括抛翻机，抛翻机上设有用于向抛翻机中投入脱水剂的投料口，抛翻机与脱水箱的出料口连通；第二部分的出水口、脱水箱的出水口皆与余水处理单元连通。该底泥深度脱水系统适合处理量大的底泥，且处理效率高、成本低、占地面积小。