Los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales logran típicamente una eficiencia de eliminación del 70-90% para contaminantes orgánicos. Sin embargo, la crisis global de aguas residuales-con el 80% de las aguas residuales descargadas sin tratar-exige soluciones innovadoras para superar los desafíos persistentes en la eliminación de nutrientes y la recuperación de recursos. Esta revisión presenta el primer análisis sistemático de estrategias de integración tecnológica para el tratamiento de aguas residuales con algas, examinando combinaciones sinérgicas de reactores de biofilm, nano-mejoras, inteligencia artificial y tecnologías de impresión 3D. Las tecnologías individuales demuestran características de rendimiento distintas: los reactores de biofilm de algas logran una eficiencia de eliminación del 60-90% con una productividad de biomasa de hasta 50 g/m/día; los sistemas nano-mejorados alcanzan una eliminación de contaminantes del 70-99%; la optimización de IA proporciona mejoras de eficiencia del 15-35% con reducciones de energía del 25-35%; y las arquitecturas impresas en 3D logran una eficiencia de eliminación del 70-90%. El nuevo marco de integración revela que las combinaciones tecnológicas logran una eficiencia general del 85-95% en comparación con el 60-80% de los enfoques individuales. Los desafíos críticos incluyen la toxicidad de los nanomateriales (nanopartículas de plata efectivas a 10 mg/L), altos costos (50-300 dólares estadounidenses (USD) por m para componentes en 3D, más de 1500 USD por kg para nanomateriales) y una madurez tecnológica limitada (TRL 4-5 para IA e impresión 3D). Las necesidades de desarrollo prioritarias incluyen métricas de evaluación estandarizadas, una evaluación de riesgos integral y estrategias de optimización económica. El marco de integración proporciona orientación para la selección de tecnologías basada en las características de los contaminantes y las limitaciones operativas, mientras que las estrategias de implementación abordan los requisitos de adaptación regional. Los hallazgos apoyan el potencial de los sistemas algales integrados para un rendimiento de tratamiento superior y contribuciones a la economía circular a través de la recuperación de recursos.