[en] Water is undoubtedly the most essential resource of humanity. However. supplying the human population with clean water has been a major challenge for decades. Contaminants in wastewaters endanger water bodies and the treatment of these effluents represent a high energy demand. The development of efficient wastewater treatment technologies is thus becoming increasingly important. In the context of a circular and bio-based economy. microalgae biomass has shown its great potential to treat wastewater streams. while recovering sustainable bioproducts. However. although extensive research has been done in this field. there is still need for improvements and realistic information in order to implement these systems at large scale. This PhD thesis aims to contribute to this quest by performing holistic studies on microalgae systems for wastewater treatment combined with different strategies for biomass valorisation. The overall content of this PhD thesis is divided in two main parts. The first part consists in experimental studies combining wastewater treatment and resources recovery using microalgae-based systems. while the second part is dedicated to the environmental analyses. through Life Cycle Assessment (LCA). of the technologies and biomass valorisation techniques investigated in this thesis. The first part presents investigated a well-known microalgae system. high rate alga! pond (HRAP). in order to simplify its maintenance. reduce costs and the footprint. This study showed that removing the primary treatment preceding a HRAP did not significantly affect the wastewater treatment efficiency. Moreover. the co-digestion with primary sludge could significantly improve the methane yield and kinetics of microalgae mono-digestion (2382:58 ml CH4/g VS compared to 1892:25 ml CH4/g VS. Following. a second study investigated the cultivation of cyanobacteria-dominated biomass using centrate diluted in secondary effluent from the HRAP system at different ratios. Results showed that cyanobacteria dominance was stable in a mixed culture with effective treatment efficiency. In addition. biomass grown in these systems could be valorised through phycobiliproteins (up to 17 mg/g dry biomass) and biogas production (from 159 to 199 ml CH4/g VS). Lastly. a third study investigating unialgal cultivations for further phycobiliproteins recovery was carried out. Light intensity and growth medium composition were optimised. and conditions were then selected to cultivate these microalgae in food-industry wastewater. Efficient wastewater treatment and successful extraction of phycobiliproteins (up to 103 mg/g dry biomass) were achieved. The second part of this thesis presents an overview of the environmental aspects associated with the microalgae systems and biomass recoveries focused in the previous experimental studies. A first LCA showed that. considering the most significant impact categories, HRAP system implemented in warm climate region showed to be the most environmentally friendly alternative while the biofertiliser production showed to be the most economically feasible than biogas. The second LCA indicated that a system treating industrial wastewater has lower environmental impacts than a system treating urban wastewater in most of the environmental indicators considered. Moreover, using wastewater appeared to be more environmentally friendly than using standard growth medium to cultivate microalgae. In conclusion, the results obtained in this thesis suggested that microalgae systems seem to have a great potential to improve water quality and recover valuable resources from wastewater. Therefore. based on the results of this study and considering the increasing need for conceptual biorefineries, sustainable installations at full scale would be the next step towards a circular economy.

[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