鉴于我国现状城市污水处理厂出水指标执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，而排入饮用水水原水体的出水必须达到一级A标准。因此，对现有城市污水处理厂进行升级改造，具有重要的水环境保护意义。针对武汉市某污水处理厂一期运行期间出现的问题,通过模拟试验研究比较分析了低负荷条件下A2/O工艺及倒置A2/O工艺的优劣、探索低温高效脱氮和反硝化除磷途径，为该污水处理厂后期的运行调试提供理论基础及技术支持。在相同低负荷进水水质条件下，研究表明A2/O工艺较倒置A2/O工艺更易出现污泥老化，且倒置A2/O工艺与A2/O工艺NH3-N平均出水值分别为8mg·L-1和2mg·L-1。因此，该厂扩建工艺选择采用倒置A2/O工艺。同时，为提高低温脱氮效率，经试验研究，当水温≤5℃时,DO调整到4.5～5.5mg·L-1、污泥负荷降为0.06～0.08kgBOD-15/(kgMLSS·d)、污泥浓度提升到3500～4000mg·L、内回流比为180%时，NH3-N的去除率由58.8%提高到69.7%,平均出水值13.9mg·L-1,TN的去除率由12.5%提高到25.2%,平均出水值17.4mg·L-1。在反硝化除磷的试验中,通过对缺氧段及好氧段磷去除率的分析，研究表明确实存在反硝化除磷现象，且当回流比调整为260%时,TP出水为0.07mg·L-1,磷的去除率达92%。同时，从工程建设的角度，提出了该厂一期工艺改造、二期扩建工艺选择及深度处理方案。经污泥驯化调试，该厂出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。研究结论对国内目前需提标升级到一级A标准的城市污水处理厂具有借鉴意义。