En este trabajo se determinó el porcentaje de remoción de la materia orgánica y fosfatos de la planta de tratamiento de aguas residuales Puca Puca, Ayacucho-Perú, mediante la aplicación del tratamiento fotolítico, tratamiento de cultivo de microalga usando Chlorella sp y el tratamiento combinado fotolítico con cultivo de microalgas. La experiencia se llevó a cabo a nivel laboratorio empleando un fotorreactor con lámpara uv para el proceso de fotólisis y un conjunto de biorreactores iluminados con lámpara led e inyectados con aire y dióxido de carbono (CO2) para el cultivo de microalgas. Teniendo como referencia la caracterización del agua residual (fosfatos, oxígeno disuelto, demanda química y bioquímica de oxígeno igual a 6,8 mg/L, 1,6 mg/L, 226 mg/L y 93 mg/L respectivamente) antes de los tratamientos fotoquímicos y biológicos. Se determinó que con el tratamiento fotolítico se logró reducir la materia orgánica en 67% y 76,55% para la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) respectivamente y 13,24% para los fosfatos. Con el tratamiento de cultivo de microalgas usando Chlorella sp la reducción de materia orgánica fue de 47,55% y 59,78% de DQO y DBO respectivamente y 41,18% para los fosfatos. Finalmente, para el tratamiento combinado de fotolisis con cultivo de microalgas la reducción de materia orgánica fue de 40,68% y 54,60% de DQO y DBO respectivamente y 33,82% para los fosfatos. Luego de la aplicación de los diversos tratamientos, los resultados demuestran que, el tratamiento fotolítico reduce en mayor porcentaje a la materia orgánica y el tratamiento con cultivo de microalgas a los fosfatos.