Giai đoạn thiết kế bắt đầu bằng việc xác định vấn đề.

Các khía cạnh khác nhau của thiết kế được thể hiện trong cái gọi là sơ đồ thiết kế. Phương pháp tiếp cận liên quan đến nhiều ngành khác nhau, bao gồm quy trình, dân dụng, kỹ sư cơ khí và kiến ​​trúc sư. Các giải pháp thay thế cho nhà máy xử lý được xác định dựa trên thành phần nước thô và các tiêu chuẩn và yêu cầu về nước uống.

Hầu hết, có thể có các quy trình và vị trí khác nhau của các quy trình trong quá trình xử lý. Dựa trên các tiêu chí khách quan, chẳng hạn như chi phí, tác động môi trường, tiêu thụ năng lượng, độ phức tạp trong vận hành, ảnh hưởng chất lượng nước bổ sung, độ tin cậy và độ bền, một giải pháp thay thế được lựa chọn. Đầu vào cho phân tích này đến từ kinh nghiệm tại các nhà máy xử lý tương đương hoặc, trong trường hợp công nghệ mới, nghiên cứu thử nghiệm rộng rãi về nhà máy.

Chi phí là một trong những khía cạnh quan trọng nhất để ra quyết định đầu tư vào công nghệ mới. Do đó, cần phải có chỉ báo về chi phí đầu tư và khai thác ở giai đoạn đầu.

Chi phí khai thác được thể hiện bằng chi phí cho mỗi mét khối nước sản xuất, với giá nước uống tương ứng. Phần quan trọng nhất của chi phí khai thác là chi phí cố định, phát sinh từ các khoản đầu tư vào cơ sở hạ tầng, có thể được ước tính bằng cách đánh giá các dự án tương tự đã thực hiện trước đó. Ví dụ, chi phí đầu tư cho một quá trình xử lý có thể được ước tính thông qua mối quan hệ giữa công suất và chi phí đầu tư.

Việc lắp đặt quá nhiều thiết bị điều khiển sẽ tăng chi phí và phức tạp hoạt động. Do đó, cần phân chia tối ưu các thiết bị điều khiển.

Nhà máy xử lý nước thường sử dụng máy bơm để đưa nước đến mức có thể chảy qua trọng lực đến các bể chứa nước trong nhà máy. Tuy nhiên, trong một số tình huống, như khi có các điều kiện ranh giới, chiều cao tối đa của tòa nhà hoặc độ sâu nền móng, thì phải thêm một giai đoạn bơm để đưa nước lên. Sơ đồ đường thủy lực cho thấy độ cao của các quá trình xử lý và tổn thất áp suất.

Sự cần thiết của các giai đoạn bơm bổ sung, bao gồm cả bộ đệm để cân bằng sự khác biệt giữa dòng chảy vào và ra. Một nhà máy xử lý nước bao gồm nhiều làn hoặc đơn vị xử lý song song để tăng độ tin cậy. Ví dụ, khi một thiết bị ngừng hoạt động vì bảo trì hoặc vệ sinh, các thiết bị khác có thể tiếp quản dòng chảy để tránh làm gián đoạn quá trình sản xuất nước uống. Các thiết bị và các quy trình xử lý phải được vận hành theo cách liên tục, do đó, cần đủ van và máy bơm trong nhà máy xử lý.

Cuối cùng, nhà máy xử lý phải được đặt trong một tòa nhà.

Tòa nhà phải được thiết kế nhỏ gọn để giảm chi phí đầu tư, nhưng các máy bơm và van của quá trình xử lý phải được đặt sao cho dễ tiếp cận để bảo trì và sửa chữa. Bố trí tòa nhà phải được rõ ràng và hợp lý để có thể vận hành tốt.

Thiết kế chức năng của tòa nhà điều trị cần được thực hiện với sự hợp tác tốt của kiến ​​trúc sư. Thông thường, tòa nhà xử lý là một phần của khu vực được bảo vệ, nơi áp dụng các hạn chế đối với các tòa nhà phù hợp với môi trường. Sau khi hoàn thành thiết kế cuối cùng của nhà máy xử lý, toàn bộ quá trình xây dựng có thể bắt đầu, đây là một lĩnh vực chuyên ngành, yêu cầu kỹ năng kỹ thuật, chính trị và quản lý. Các nhà thầu đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn này, với trách nhiệm giám sát để đảm bảo rằng tất cả các chức năng được cung cấp đúng cách.