针对重点流域城市污水处理厂升级改造过程中难以稳定达标问题，以典型城市污水处理A2/O工艺为研究对象，研发了城市污水处理厂A2/O工艺诊断、调控和强化运行技术，主要包括：建立了A2/O工艺的脱氮诊断方法和调控策略，提高了污水中TN和NH3-N的去除率；研发了双缺氧高效强化脱氮技术，通过两个缺氧区实现活性污泥和生物膜双重脱氮功能，有效提高了脱氮效率；提出了生物调控、多点物化辅助除磷的调控措施，建立了总磷稳定达标运行的应急处理方法和应付常态运行对策；根据微絮凝-砂滤工艺进水水质水量与加药量的响应关系，建立了自动加药控制系统，在保证水质稳定达标前提下，有效降低了絮凝剂的投加量。通过调控运行后污水厂出水水质指标优于一级A标准，达标率大于95%，TN、NH3-N、TP污染负荷消减10%以上，污水厂能耗降低5%以上，直接经济效益累计约3067万元；削减TN3769.5吨/年、NH3-N3438.3吨/年、TP515.1吨/年。