本发明涉及城市污水处理技术领域，具体公开了一种多工况下城市污水处理过程多目标优化方法，包括步骤：1)构建城市污水处理过程多目标优化问题的数学描述；2)设计城市污水处理过程的多目标粒子群优化算法；3)设计城市污水处理过程多工况案例库。本发明方法针对污水处理过程不同工况下不确定性强的特点，设计出一种实时动态寻优的多目标粒子群算法，同时引入多工况案例库的概念，对于相互匹配的案例，可以直接将案例中对应的最优解应用到当前工况种群初始化中，提高了算法的搜索精度和收敛速度。本发明对多工况下的城市污水处理过程溶解氧和硝态氮浓度设定值进行实时寻优，在出水水质达标的基础上，有效降低了能耗。