[es] El agua es sin duda el recurso más esencial de la humanidad. Sin embargo, el suministro de agua limpia a la población humana ha sido un gran desafío durante décadas. Los contaminantes en las aguas residuales ponen en peligro los cuerpos de agua y el tratamiento de estos efluentes representa una gran demanda de energía. El desarrollo de tecnologías eficientes de tratamiento de aguas residuales se está volviendo cada vez más importante. En el contexto de una bioeconomía circular, la biomasa de microalgas ha demostrado su gran potencial para tratar las ofertas de corrientes de aguas residuales, al tiempo que recupera bioproductos sostenibles, implementando así conceptos de biorefinería. Sin embargo, aunque se ha realizado investigaciones em este tema, aún se necesitan mejoras e información realista para implementar estos sistemas a gran escala. Esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir a esta búsqueda mediante la realización de estudios holísticos sobre sistemas de microalgas para el tratamiento de aguas residuales. El contenido general de esta tesis doctoral se ha dividido en dos partes. La primera parte consistió en estudios experimentales, mientras que la segunda parte se ha dedicado a los análisis ambientales, a través del Análisis del Ciclo de Vida (ACV). La primera parte ha investigado un conocido sistema de microalgas, la laguna algal de alta tasa (HRAP), para simplificar su mantenimiento y reducir los costos. Este estudio mostró que la eliminación del tratamiento primario que precede la HRAP no afectó significativamente la eficiencia del tratamiento de aguas residuales. Además, la codigestión con lodo primario podría mejorar significativamente el rendimiento de metano y la cinética de la mono-digestión de microalgas (2382:58 ml en comparación con 1892:25 mL de CH4/g sólidos volátiles (SV)). A continuación, un segundo estudio investigó el cultivo de cianobacterias utilizando concentrado diluido en efluente secundario del sistema HRAP a diferentes proporciones, Los resultados mostraron que el dominio de las cianobacterias era estable en un cultivo mixto con una eficacia efectiva del tratamiento. Además, la biomasa cultivada en estos sistemas podría valorizarse a través de ficobiliproteínas (hasta 17 mg/g de biomasa seca) y la producción de biogás ( de 159-199 ml de CH4/g SV). Por último, se llevó a cabo un tercer estudio que investigó los cultivos unialgal, donde la intensidad de la luz y la composición del medio de crecimiento se optimizaron, y luego se seleccionaron las condiciones para cultivar estas microalgas en las aguas residuales de la industria alimentaria. Se logró un tratamiento eficiente de las aguas residuales y extracción exitosa de ficobiliproteínas (hasta 103 mg/g de biomasa seca). La segunda parte de esta tesis presenta una visión general de los aspectos ambientales asociados con los sistemas de microalgas y las recuperaciones de biomasa. El primer ACV demostró que el sistema HRAP junto con la producción de biofertilizantes e implementado en la región de clima cálido demostró ser la alternativa más respetuosa con el medio ambiente, mientras que la producción de biofertilizantes demostró ser la más viable economicamente que el biogas. Además, los HRAP mostraron un menor impacto ambiental potencial en comparación con un sistema de lodos activados. El segundo ACV indicó que um el sistema de tratamiento de aguas residuales industriales tiene un menor impacto ambiental que el sistema de tratamiento de aguas residuales urbanas en la mayoría de los indicadores ambientales considerados. En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis sugieren que los sistemas de microalgas parecen tener un gran potencial para mejorar la calidad del agua y recuperar recursos valiosos de las aguas residuales. Por lo tanto, en base en los resultados de este estudio y considerando la creciente necesidad de desarrollar biorefinerías, las instalaciones sostenibles a gran escala serían el próximo paso hacia una economía circular.

[nl] Neerlandeès . De huidige globale milieuproblematiek roept onvermijdelijke uitdagingen op om natuurlijke grondstoffen beter te beheren met het oog op een duurzame ontwikkeling. Water is ongetwijfeld de meest essentiële grondstof van de mens en genoeg zuiver water voorzien is reeds tientallen jaren een grote uitdaging. Verontreinigingen in huishoudelijk, industrieel en landbouw afvalwater vormen een gevaar voor de waterlichamen en de behandeling van deze effluenten vraagt veel energie. De ontwikkeling van efficiënte technologieën voor afvalwaterbehandeling wordt dus steeds belangrijker. Vanwege hun metabolische flexibiliteit zijn microalgen interessante biologische systemen voor de behandeling van verschillende types afvalwater. Zeker in de context van een circulaire en biogebaseerde economie heeft microalgenbiomassa haar grote potentieel getoond om afvalwaterstromen te behandelen en tegelijkertijd duurzame bioproducten te produceren en dus het bioraffinageconcept te implementeren. Hoewel uitgebreid onderzoek is gedaan om microalgensystemen te optimaliseren wat betreft werking en economische haalbaarheid, is er nog steeds behoefte aan verbeteringen en realistische informatie om deze systemen op grote schaal te implementeren. Dit doctoraatsonderzoek beoogt een bijdrage te leveren aan deze zoektocht door een holistische studie uit te voeren op microalgensystemen van microalgensystemen voor afvalwaterbehandeling in combinatie met verschillende valorisatiestrategieën voor de resulterende biomassa. De algemene inhoud van dit proefschrift is verdeeld in twee delen. Het eerste deel bestaat uit experimentele studies waarin afvalwaterzuivering wordt gecombineerd met terugwinning van grondstoffen met behulp van op microalgen gebaseerde systemen, terwijl het tweede deel is gewijd aan Life Cycle Assessment (LCA) van de technologieën en valorisatietechnieken voor biomassa die in dit proefschrift zijn onderzocht. Het eerste deel presenteert dus de onderzochte alternatieven van afvalwaterzuiveringssystemen op basis van microalgen, het testen van verschillende cultivatiesystemen en het evalueren van het potentieel om bio-energie (biogas) en hoogwaardige verbindingen (phycobiliproteïnen) terug te winnen. Om te beginnen wordt een goed gekend microalgensysteem, een high rate algal pond (HRAP), bestudeerd om het onderhoud, de kosten en de voetafdruk te verminderen. In dit verband werd het effect van de voorbezinking op de lange termijn prestaties van HRAP's op pilootschaal onderzocht, niet alleen met betrekking tot de zuiveringsefficiëntie en biomassaeigenschappen, maar ook met het oog op het potentieel van opwekken van bio-energie uit de geoogste biomassa. Deze studie toonde aan dat het verwijderen van de voorbezinking voorafgaand aan een HRAP geen significante invloed had op de efficiëntie van de afvalwaterbehandeling (NH4+-N verwijdering van respectievelijk 93 en 91% en verwijdering van chemische zuurstofbehoefte (CZV) van respectievelijk 62 en 65% in HRAP met en zonder voorbezinking). Daarom lijkt deze stap overbodig, wanneer de behandeling van huishoudelijk afvalwater het hoofddoel is. Als terugwinning van bio-energie door biogasproductie wordt overwogen, zou de co-vergisting met primair slib de methaanopbrengst (238– 258 mL CH4/g VS vergeleken met 189-225 mL CH4/g VS) en kinetiek van mono-vergisting van microalgen significant kunnen verbeteren. Vervolgens werd in een tweede onderzoek de groei van door cyanobacteriën gedomineerde biomassa in lab-schaal fotobioreactoren (PBR's) onderzocht op basis van centraat dat verdund werd met secundair effluent uit het HRAP-systeem in verschillende verhoudingen. De resultaten toonden aan dat de dominantie van cyanobacteriën stabiel was in een gemengde cultuur met een effectieve behandelingsefficiëntie (verwijdering tot 52% van CZV, 86% NH4+-N en 100% fosfor). Bovendien zou in deze systemen gekweekte biomassa kunnen worden gevaloriseerd voor phycobiliproteïnen (tot 17 mg/g droge biomassa) en biogasproductie (van 159 tot 199 mL CH4/g VS). Ten slotte werd een derde onderzoek uitgevoerd naar monocultuurteelten van Nostoc sp., Arthrospira platensis (Spirulina) en Porphyridium purpureum voor verdere productie van phycobiliproteïnen. De lichtintensiteit en de samenstelling van het groeimedium werden geoptimaliseerd, hetgeen aangeeft dat lichtomstandigheden de productie van phycobiliproteïnen meer beïnvloeden dan de samenstelling van het medium. De omstandigheden werden vervolgens gekozen om deze microalgen in het afvalwater van de voedselindustrie op te groeien. Efficiënte afvalwaterbehandeling (verwijdering tot 98% van CZV, 94% anorganische stikstof en 100% fosfor) en succesvolle extractie van phycobiliproteïnen (tot 103 mg/g droge biomassa) werden bereikt. Het tweede deel van dit proefschrift geeft een overzicht van de duurzaamheidsaspecten die verband houden met microalgensystemen en de valorisatie van biomassa, op basis van de hierboven beschreven experimentele studies. Twee vergelijkende LCA's werden uitgevoerd om de milieubelasting te karakteriseren die zou worden veroorzaakt door het opschalen van de resultaten op laboratorium- en pilootschaal. De eerste LCA ging in op HRAP-systemen voor afvalwaterzuivering in kleine gemeenschappen waarbij biogas en biofertilisatoren werden vergeleken als opties voor het terugwinnen van grondstoffen. Beide microalgensystemen werden ook vergeleken met een conventionele actiefslibinstallatie. Bovendien werd een economische analyse uitgevoerd. Deze studie toonde aan dat, gezien de belangrijkste impactcategorieën, het HRAP-systeem geïmplementeerd in een warm klimaatgebied het meest milieuvriendelijke alternatief bleek te zijn. Verder bleek de productie van biofertilisatoren het economisch meest haalbare te zijn. Bovendien vertoonden HRAP's lagere potentiële milieueffecten in vergelijking met een actiefslibinstallatie. De tweede LCA evalueerde twee microalgensystemen waarin de behandeling van huishoudelijk of industrieel afvalwater werd vergeleken met oog op de terugwinning van bioproducten (phycobiliproteïnen en digestaat dat herbruikt kan worden in de landbouw) en bio-energie (biogas). Bovendien werden beide alternatieven vergeleken met een conventioneel systeem dat standaard groeimedia gebruikt voor de productie van phycobiliproteïnen. De resultaten geven aan dat het systeem dat industrieel afvalwater zuivert, lagere milieueffecten heeft dan het systeem dat huishoudelijk afvalwater behandelt. Bovendien bleek het gebruik van afvalwater milieuvriendelijker te zijn dan het gebruik van standaard groeimedium om microalgen te kweken. Concluderend suggereren de resultaten verkregen in dit proefschrift dat microalgensystemen een groot potentieel lijken te hebben om de waterkwaliteit te verbeteren en waardevolle grondstoffen terug te winnen uit afvalwater. Daarom zijn, op basis van de resultaten van deze studie en rekening houdend met de behoefte aan conceptuele bioraffinaderijen, duurzame installaties op volle schaal een volgende stap op weg naar een circulaire economie