1.化学澄清
化学澄清将降低水的浊度、有机物含量、微量金属和碳酸盐含量，并提高水的价值，以利于消毒和病菌去除。该系统包括分置的快速混合池、絮凝池和沉淀池。含量为400mg/L的石灰浆注入快速混合池作为主要的絮凝和消毒剂（将PH值提高到11.30），再将含量为0.1mg/L的阴离子聚合物溶液加入第三级的絮凝池中作为沉淀助剂。
水从第三级絮凝池的底部流入沉淀池并由此水平地流入收集池的V形堰中，水在澄清装置中滞留的时间大约为117min，在两个快速混合池中各滞留1min，在絮凝池中滞留30min，在沉淀池中滞留85min。
原来在化学澄清处理之后，再经过吹脱（除氨）。目前在橙县萨尼特新区采用的更高级的二级处理装置中利用了活性污泥从而不再需要此过程。
橙县水管区正研究使用微滤（MF）技术代替化学澄清的可能性。
2.再次碳化
再次碳化池设置目的是以调整处理过的废水的PH值的方式来抵消前期石灰处理的影响。从石灰再次煅烧炉中回收的二氧化碳一次性地被加入到废水中以使其PH值降低到7.0～7.5，再次碳化池中滞留的时间约为70min。
3.沉淀物处理与石灰再煅烧
每天有大约30t的固体物质在沉淀池底部沉淀，然后被运到淤泥池。这些淤泥物的75%回收用于石灰再锻烧处理过程。石灰被送到石灰窑中的两个离心机以作进一步的脱水和淤泥分离。在离心机中被处理过的淤泥被送到华氏1700o的石灰再煅烧炉，以作回收及再次利用。
石灰再煅烧系统包括一个六炉床的石灰再煅烧炉、石灰储藏仓、用于淤泥增稠器中增稠淤泥脱水用的离心机、石灰送料器和消和器、二氧化碳压缩机及一个控制室。石灰再煅烧炉，每日可回收石灰24t、热炉烟道气被降温和压缩以回收用于再次碳化处理过程中的二氧化碳，消和器将干石加湿制成泥浆并送入快速混合池。
4.多介质过滤
水从再次碳化槽流入四个敞开的平行分布的重力过滤床之一，每个过滤床的设计能力为1.7万m3/d,速度为每平方米0.25m3/min，过滤床以液流方向作为从粗到细的过滤。76cm深的过滤床介质含有无烟煤、硅砂、粗细石榴石，以石子和瓦片级组成的下排水系统支撑。一个标准的过滤床一般运行可超过100h，过滤床以每平方米0.73m3/min的速度由过滤床流出池回洗。
其后的过滤过程，水流被一分为二，分别通过粒状活性炭吸附装置和、反向渗透装置。
5.活性炭吸附装置
半数从多介质过滤器流出的水被泵入粒状活性炭按触器（GAC）。这个炭吸附系统包括17个接触器，每个接触器盛有42t粒状活性炭，以0.28m3/min的速度以水为承载方式动作，接触时间为30min。
各个炭接触以平行方式运行，被设计为水流向上或向下流动均可（目前采用的是向上流动方式），安装炭接触器的目的是为了从被处理的水吸收各种溶解的有机化合物。例如，活性炭去掉了被处理水中全部有机炭（TOC）的70%。该系统操作时，炭的吸附能力最终将达到饱和，而必须定期进行活化。
碳化系统中安装一个炉子，用于活化已饱和的活性炭。炉子的能力为每天5443kg。在每个活化循环中大约93%的活性炭被回收。活化进行时，呈泥状的饱和碳从接触器的底部通过5cm的皮带管送入活化器中，在水流向上的运行状态中，炭接触器中下半部的活性炭趋于饱和而需活化，而这部分正是易于移走的。
6.反向渗透软化处理
21世纪水厂产出水的全部溶解物（TDS）指标必须低于500mg/L，其半数加工水的软化是在反向渗透（RO）处理过程中完成的。除了去掉TDS，反向渗透处理装置在降低其他矿物质、氨和全部有机碳方面也有显著作用。
流入反向渗透处理装置的水是从多介质过滤系统出水的一半。这些水是未经活性炭处理过的，它们在进入反向渗透隔膜之前，需经额外的预处理，包括防垢处理、碳酸加成处理（以使水的PH值降至5.5）和筒过滤。
反向渗透的运行需要1.4～2.3MPa的压力，此压力由两个高压泵提供。反向渗透的设计为两组平行的能力为1.1万m3/d的系统。其基本构成包括6个尾尾相接的用醋酸纤维材料螺旋缠制而成的隔膜缺罐，装入一个161m长、20cm直径玻璃纤维导管中。6个大隔膜罐，每个包括42支导管；导管排列呈“倒三角形”（上层24支、中层12支、下层6支），该装置的回收能力为85%。
产出水通过隔膜后，90%的TDS即被去除，浓盐水（整个注入量的15%）被送回橙县萨尼特新区，并被弃置大洋中。
隔膜的清洗使用添加去垢剂的产出水。
7.氯化与混合
27m长16m宽的氯化池内设置了档板，使水流以蛇形路流过。水流从碳化池流入氯接触池进行氯化，以氧化余氨、灭菌和消毒。加氯通过一个置于管中的扩散器，以水流流入接触池的相反方向加入。水流自氯化接触池流了后靠自重流入混合贮存池并在此与反向渗透处理水和深井水混合。
目前，注入特尔伯特“水坝”的水2/3是回收的废水，1/3是从不受海水“侵入”影响的地区泵了的地下水。橙县水管区最近申请并获准改变上述废水处理工艺流程，以使得注入“水坝”的水100%都是回收的废水，不再用深井水混合。
水厂在降低COD、TOC、氨和水的浊度方面的效率以水质数据表示。较高的反向渗透水的比例将使TOC指标低于多数饮用水。目前用于混合用的高质量的深井水将被处理以去色，极有可能作为饮用水的来源。目前和拟建的水处理项目的运行，都将满足加州水质控制委员会、圣地安娜地区和加州卫生部颁布的有关标准。
8.注入
21世纪水厂的目的是为阻挡海水“侵入”特尔伯特“水坝”提供水源。水厂最后的产出水符合全美卫生部一级和二级饮用水标准（表5-4）。产出水通过23个多点注入井（81个单个注入点）泵入地下水系。注入井以183m的间隔沿伊丽思大道从圣地安娜河到布利瓦德滩的徒岸。被注入的水在海水和地下水系之间形成一个“淡水山”，对海水的“侵入”形成“水坝”，使得地下水系能够在低于海平面的高度上安全地被吸取。
一旦一部分注入水朝大洋方向流动形成“水坝”，大部分的注入水却流向橙县的地下水系，从而增加地下水的提供。