CURSO: Ingeniería de Aguas Residuales

PROFESORA: Hiraida R. Pérez Palomares

ALUMNOS:

Giancarlos Arcayo PalaciosJhoan P. Chávez SuazoRodrigo M. Del Campo OréLuz A. Lazarte AguirreMilushka L. Llanos CruzLuis E. Loaiza GuillenCarlos A. Mendoza PaniuraGonzalo M. Ponce de León JaraEileen Soto GuevaraESPECIALIDAD: Ingeniería Ambiental

2013

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

FACULTAD DE CIENCIAS

INFORME DE LABORATORIO:

DETERMINACIÓN DE LA ACTIVIDAD METANOGÉNICA MÁXIMA ESPECÍFICA

ÍNDICE

I. INTRODUCCION

II. OBJETIVOS

III. MARCO TEÓRICO

1. Degradación Anaerobia

2. Ensayo de Actividad Metanogénica

IV. METODOLOGÍA

1. Materiales & Equipos

2. Determinación de los Sólidos Volátiles

2.1. Procedimiento

3. Actividad Metanogénica

3.1. Cálculo Previos

3.2. Procedimiento

3.3. Instalación del Reactor

V. RESULTADOS

1. Sólidos en el Lodo

2. Producción de Metano

3. Actividad Metanogénica Máxima Específica

VI. ANÁLISIS

VII. CONCLUSIONES

VIII. ANEXOS

1. ANEXO I: Datos Meteorológicos del Observatorio Von Humboldt (SENAMHI. 2013)2. ANEXO II: Registro fotográfico

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I. INTRODUCCIÓN

La digestión anaerobia como alternativa para el tratamiento de aguas residuales ofrece una serie de ventajas al momento de disponer de los lodos que constituyen el agua residual frente a otros tratamientos como el aerobio; puesto que las condiciones del proceso permiten la producción de biogás, que puede ser utilizado en la misma planta para procesos energéticos, además a diferencia del aerobio, no necesita una aeración continua lo que lo convierte en una opción favorable económicamente. Otra ventaja de este proceso es que la generación de lodos en excesos es mucho menor que en el proceso aerobio, por tanto también se reducen los costes de tratamiento de los lodos.

Para que estos procesos se lleven a cabo es necesario introducir los lodos en un reactor de forma continua o intermitente durante periodos de tiempo considerables, de manera que se obtenga un producto con bajo contenido de materia orgánica y microorganismos patógenos. La operación de estos reactores depende de variables de diseño tales como tiempo de retención, carga orgánica, tipo de efluente (diluido o concentrado), entre otras; así como también de las condiciones ambientales del proceso. Estos parámetros pueden manejarse en la planta en base a criterios de diseño, sin embargo para determinar la efectividad y eficiencia con la que se está desarrollando el tratamiento, es necesario monitorear el proceso.

Por esta razón, se ha visto necesario hacer uso de pruebas de laboratorio con la finalidad de evaluar cuán viable es un tratamiento anaerobio. Las más comúnmente utilizadas son: El test de biodegradabilidad, test de toxicidad; y los test de actividad metanogénica. Este último es una herramienta que se utiliza para evaluar la calidad de los lodos en los procesos anaerobios a partir de la cuantificación de la máxima capacidad de producción de metano. En este ensayo (test de AME) se intenta simular el proceso de degradación anaerobia del lodo en un recipiente de reacción. Además de poder cuantificar la producción de metano, también nos permite calcular la carga orgánica máxima que puede aplicarse a un sistema y evaluar el comportamiento de la biomasa contaminada.

En el presente informe se presenta el ensayo para la determinación de la actividad metanogénica máxima específica (A.M.E) del lodo proveniente de una planta de tratamiento de aguas residuales industriales (Empresa Backus) mediante un ensayo discontinuo, aplicando el test de A.M.E.

II. OBJETIVOS

Realizar un ensayo anaerobio discontinuo para un lodo proveniente de la planta de tratamiento de los efluentes de la empresa Backus.Determinar la producción de Metano empleando el test de Actividad MetanogénicaDeterminar la Actividad Máxima Específica de los lodos evaluados.Analizar las posibles fuentes de error del ensayo y los parámetros que favorecen la metanogénesis.

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III. MARCO TEÓRICO

1. Degradación Anaerobia

La digestión anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por degradar la materia orgánica transformándola en metano y CO₂. La degradación anaerobia de materia orgánica requiere:

Llevarse a cabo en ausencia de oxígeno. La intervención de diversos grupos de bacterias, tanto facultativas como anaeróbicas

estrictas.

El proceso involucra tres grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación. (Rodriguez. S. F.)

1. Hidrólisis: Grupo I – bacterias hidrolíticas- La hidrólisis es llevada a cabo por la acción de enzimas extracelulares producidas por

las bacterias del Grupo 1.2. Acidogénesis: Grupo I – bacterias fermentativas

- Moléculas de bajo peso molecular, son fermentadas a ácidos grasos con bajo número de carbono.

3. Acetogénesis: Grupo II – bacterias acetogénicas- El Grupo II también es conocido como “bacterias acetogénicas productoras de

hidrógeno”.4. Metanogénesis: Grupo III – bacterias metanogénicas

- Estas Transformaciones involucran dos grupos metanogénicos: acetotróficas e hidrogenotróficas que cumplen diferentes funciones. (Ver figura a continuación)

*Etapas de la Digestión Anaerobia (Rodriguez. S.f.)

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2. Ensayo de Actividad Metanogénica

El ensayo de Actividad Metanogénica Específica (AME) evalúa la actividad bacteriana metanogénica en un proceso de digestión anaerobia. De modo que un ensayo AME será capaz de medir la máxima producción de metano en un período de tiempo y condiciones determinadas. La evaluación de los microorganismos metanogénicos para convertir sustrato orgánico en metano y CO2 está definida por calidad del lodo en los reactores anaerobios.Si partimos de cantidades conocidas de biomasa (SSV), y a determinadas condiciones (pH, temperatura, conductividad, alcalinidad, entre otros), se podrá evaluar la producción de CH4

(con mecanismos cromatográficos, manométricos o volumétricos). A su vez la AME permite (Aquino et al. 2007):

Evaluar el comportamiento de la biomasa presente, en términos de remoción de DQO de la fase líquida.

Determinar la carga orgánica máxima que puede ser aplicada en un reactor, definiendo la capacidad del tratamiento.

Determinar la toxicidad del sustrato y la selección del inóculo La actividad metanogénica (AcmCH4) es un parámetro expresado como gDQO/gSSV, calculada a partir de la velocidad máxima de producción de metano (mLCH4/día) y de un factor de conversión (f1) que representa el valor de la DQO de una unidad de volumen de metano. Este factor depende de la temperatura y humedad del gas (Field et al, citado por Chia-Fang Hsieh 2009).

AcmCH 4=d V CH 4 /dtXo .V R . f 1

Dónde: Xo: Concentración de SSV, VR: Volumen útil del reactor

Los Ensayos de AME no se encuentran estandarizados, variando de un autor a otro, pudiendo hacerse en sistemas continuos y discontinuos. A su vez esto limita la replicación y/o comparación con otros resultados obtenidos así como de la difusión de la metodología. El diseño responde a criterios tales como: Origen de los lodos a evaluar, Concentración del inóculo, Tiempo de incubación, Agitación del contenido del digestor, Bacterias implicadas: facultativas, estrictas, entre otros (Ortiz, 2011).

Figura. Esquema gráfico del Ensayo de Actividad Metanogénica Especifica (Torres L. et al, 2010)

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IV. METODOLOGÍA

1. Materiales & Equipos

Determinación de sólidos volátiles Crisol de porcelana Estufa (105°C) Mufla (550°C) Equipo de filtración Desecador Bomba de vacío Horno Balanza analítica de precisión Vasos de precipitados Pipeta automática

Determinación de actividad metanogénica Frasco tipo Mariotte Probetas calibradas Digestor Ácido Acético Agua Destilada Muestra de lodo Bicarbonato Potenciómetro Hidróxido de sodio (NAOH) Agitador magnético Imanes Na2S como reductor NaHCO3 como fuente de alcalinidad

2. Determinación de los Sólidos Volátiles

Como una medida de la materia orgánica, y de los microorganismos presentes en el lodo, es necesario determinar el contenido de sólidos volátiles en el lodo ya que es un indicador de la cantidad de inóculo que el sistema tendrá. Durante el ensayo se asume que el sustrato y los nutrientes estarán presentes en exceso, por lo que la concentración inicial de lodo definirá la duración del mismo (Chernicharo, 2007, citado por Torres 2010).

Para ensayos en los que se garantice agitación se recomiendan concentraciones de inóculo entre 2.0 a 5.0 gSVT/L y en ensayos sin agitación la concentración recomendada debe variar entre 1.0 y 1.5 gSVT/L (Díaz et al., citado por Torres 2010) o del orden de 2.0 gSVT/L (Rocha et al., 2001, citado por Torres 2010). Es importante resaltar que si el montaje no cuenta con agitación, la concentración seleccionada de inóculo debe garantizar un volumen no muy elevado para poder garantizar el eficiente contacto entre la biomasa y el sustrato.

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2.1. Procedimiento

Homogeneizar la muestra del lodo. Extraer un 50 mL del lodo (V). Pesar en una capsula de porcelana (Mc) Colocar la muestra del lodo en la cápsula de porcelana pesada. Llevar a la estufa (105°C) por 24 horas Pesar el residuo luego de evaporación (M1) Llevar a la mufla (555°C) por 12 horas Pesar el residuo luego de la calcinación (M2) Calcular la concentración de sólidos totales, fijos y volátiles en el lodo, mediante las

expresiones:

3. Actividad Metanogénica

Para la determinación de la actividad metanogénica máxima especifica se hará uso de un sistema semejante al de Soto et al (1993), eligiendo el método volumétrico para su determinación. Para ello se usa un reactor de 500 mL, donde la [SV]= 5g/L y DQO = 2g/L. con Ácido acético (CH3COOH) como sustrato, ajustando el pH en el digestor a 7.

El método volumétrico se basa en la cuantificación del volumen de metano producido mediante el uso de una sustancia desplazante, como el NaOH o el KOH, en un rango de 15 -20 g/L (Field, 1987), por su propiedad de reaccionar con el CO2 presente en el biogás, permitiendo una medición más aproximada del volumen de metano producido. Se recomienda chequear que el pH del NaOH sea superior a 12 unidades para garantizar que éste secuestre el CO2 producido. Las reacciones que se presentan son las siguientes:

H2O + CO2 H2CO3

H2CO3 + 2NaOH Na2CO3 + 2H2OCO2 + 2NaOH Na2CO3 + H2O

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3.1. Cálculo Previos

Volumen del lodo a ensayar

A partir de la concentración de sólidos volátiles en el lodo, y de la concentración recomendada para el reactor, se calcula el volumen de muestra con la expresión:

Volumen de Ácido Acético

Con el fin de satisfacer la recomendación de DQO de 2g/L, se usa ácido acético, cuya reacción de oxidación es:

El volumen que se debe agregar (ρ = 1.05 g/L), es entonces:

3.2. Procedimiento

Homogenizarlo el lodo, tomar el volumen de muestra calculado en una probeta, y colocarlo en una botella de 500ml que simule el reactor

Pesar 0,5g de bicarbonato en la balanza analítica, disolver en agua destilada en un vaso precipitado y agregar al reactor.

Añadir el volumen calculado de ácido acético y agregar agua destilada hasta casi 500ml. Llevar el digestor al agitador magnético Medir pH, en agitación leve para no romper los flóculos; llegar a neutralidad agregando

NaOH Agregar una pequeña cantidad el catalizador (Sulfuro de sodio) y conectar

inmediatamente al sistema. Armar el sistema, dejando en agitación y midiendo el volumen en un tiempo

determinado por 2 o 3 días.

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3.3. Instalación del Reactor

Una vez lleno el reactor, se lleva al agitador magnético. Se conecta la salida del reactor hacia una trampa de gas y posteriormente al frasco tipo Mariotte, que está unido a una probeta como se observa en al siguiente figura. La trampa de gas sirve para que quede atrapada el agua del frasco tipo Mariotte que intente regresar hacia el reactor.

*Esquema del sistema (Chia – Fang Hsieh. 2009)

V. RESULTADOS

1. Sólidos en el Lodo

2. Producción de Metano

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VOLUMEN ANALIZADO (Ml) = 50

MUESTRA MASA (g)

Cápsula 87.9524

Cápsula + residuo evaporado (105°C x 24 h) 89.5194

Cápsula + residuo calcinado (550°C x 12 h) 88.8676

Día Hora Tiempo acumulado(horas)

Volumen CH4

(mL)

20 – nov 05:00 p.m. 0 0

21 – nov

07:32 a.m. 14.5 53

08:10 a.m. 15.2 57

09:02 a.m. 16.0 62

10:07 a.m. 17.1 70

10:36 a.m. 17.6 73

11:07 a.m. 18.1 78

11:24 a.m. 18.4 81

12:02 a.m. 19.0 84

02:18 p.m. 21.3 99

02:58 p.m. 22.0 10203:40 p.m. 22.7 103

04:00 p.m. 23 104

22 – nov

07:27 a.m. 38.5 116

10:00 a.m. 41 119.5

10:49 a.m. 41.8 120

11:02 a.m. 42.0 120.5

01:06 p.m. 44.1 124

02:05 p.m. 45.1 129.1

25 – nov 07:30 a.m. 62.5 182.1Al graficar esta serie, se obtiene:

10

0 10 20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Evolución Temporal del CH4

Horas

Volu

men

(mL)

Sin embargo, se observa que los dos últimos datos han sido tomados con una diferencia de 5 días (22 – 25 noviembre); al quitar este valor extremo, se obtiene una evolución más cercana temporalmente (3 días seguidos):

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

20

40

60

80

100

120

140

Evolución Temporal del CH4

Horas

Volu

men

(mL)

Se sabe que la actividad metanogénica máxima se calcula con la velocidad de producción de metano, que corresponde a la pendiente del tramo más empinado de la última curva:

11

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

20

40

60

80

100

120

140

Evolución Temporal del CH4

Horas

Volu

men

(mL)

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 240

20

40

60

80

100

120

Evolución Temporal del CH4

Horas

Volu

men

(mL)

3. Actividad Metanogénica Máxima Específica

12

Para obtener la producción máxima de metano, usaremos la porción de la gráfica anterior; y realizaremos una regresión lineal:

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 240

20

40

60

80

100

120

f(x) = 6.27843940539277 x − 37.1858586321957R² = 0.989432714440922

Evolución Temporal del CH4

Horas

Volu

men

(mL)

De la ecuación, la pendiente representa la velocidad de producción de metano (volumen)

Usando la ecuación de los gases ideales, con una presión de 984 mb (98400 Pa) y temperatura de 22°C (Ver: ANEXO I – Datos meteorológicos del OVH), la velocidad de producción (masa):

La reacción del metano:

Por tanto, la DQO ejercida por el metano producido:

Finalmente, la actividad máxima específica expresada como Kg DQO/Kg SV.Día, considerando los 2.5 g de sólidos volátiles de lodos usados para el ensayo:

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VI. ANÁLISIS

La prueba de actividad metanogénica máxima específica se realiza con el fin de conocer si es viable el uso de los lodos como tratamiento anaerobio. No obstante, debido a que los ensayos AME no se encuentran estandarizados, su valor puede variar según la metodología que se haya aplicado, motivo por el cual la comparación con otros lodos, respecto a la calidad, se ve limitada al procedimiento.

La importancia de la operación de medir la actividad metanogénica es determinar la capacidad de la biomasa de producir metano a partir de ácidos grasos volátiles cuya concentración en promedio es de 2.0g/l de acético, 0.5 g/l de propiónico y 0.5g/l de n-butírico. La activad metanogénica es calculada a partir de la pendiente de producción de metano frente al tiempo y referida a la cantidad de SSV (M. Soto et al., 1993).

A partir de otros estudios, se puede complementar la investigación evaluando la combinación de dos alcalinizantes (cal hidratada y bicarbonato de sodio), para aprovechar mejor sus propiedades químicas, en el cual se emplearía primero Cal Hidratada para neutralizar la acidez del agua y Bicarbonato de Sodio para aportar capacidad buffer al sistema (Torres et al., 2002).

Se trabajó con una concentración de inóculo de 5 g de sólidos volátiles por litro. No obstante, dicha concentración es la recomendada para aquellos reactores en donde se garantiza la agitación, situación contraria al ensayo llevado a cabo. Según Diaz et al. (2002 citado por Torres), debido a la ausencia de agitación, se debió utilizar una concentración en el rango de 1 a 1,5 gSV/L.

Para la obtención de mejores resultados, se recomienda utilizar un reactor de menor volumen, ya que garantiza un mejor contacto entre la biomasa y el sustrato, sobre todo por no haber agitación (Rocha et a. citado por Torres 2010).

En la presente prueba se ajustó el pH al valor de 7, mediante la adición de NaOH, siendo un valor óptimo para la actividad metanogénica. No obstante, no se verificó que el pH del NaOH sea mayor a 12. Una situación adversa significaría no capturar el CO2 producido en el digestor, y la obtención de un volumen desplazado mayor al real.

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Para el cálculo de la AME se utilizó la pendiente del tramo más empinado de la gráfica volumen de metano vs tiempo, debido a que se trata de la producción máxima, la que se encuentra en el rango de 14,5 a 23 horas, y con la que se obtuvo una velocidad de producción de 6,2784 ml CH4/h. Debido al impedimento de medir durante la noche es que se carece de información antes y después del rango utilizado, por lo que tanto el inicio como el final de la pendiente, y en consecuencia la velocidad de producción de metano, carece de completa certidumbre.

A partir de la recta obtenida por regresión lineal se puede interpretar que se hace un seguimiento bastante bueno de los datos. Donde la pendiente de la recta indica que, en promedio, a cada incremento de una unidad de tiempo (horas), le corresponde un incremento de 6.2784 ml de Metano. EL origen de la recta sugiere que para un t=0 podría contener -37.186 ml de Metano. Esto, obviamente no es posible por ello los pronósticos que desarrollamos solo se deben de realizar en el rango de valores que abarcan la información disponible, este es uno de los riesgos en el contexto del análisis de regresión, a pesar de que el coeficiente de determinación indica una buena relación entre las variables.

Además de las menciones respecto al procedimiento y concentraciones utilizadas, entre otros errores sistemáticos a considerar se encuentran la construcción del sistema, debido a la fuga de gases por los conductos; y la operación de los instrumentos de laboratorio, una intensa homogenización al añadir los reactivos al digestor conllevaría a la destrucción de los flóculos, dificultando el contacto entre la biomasa y el sustrato.

VI. CONCLUSIONES

Inicialmente el ensayo de AME fue utilizado para la selección del lodo a inocular (Jawed y Tare. 1999). Pero el ensayo demostró ser una importante herramienta para el estudio de

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procesos anaerobios según varios autores como (Soto et al., 1993; Chernicharo, 1997 entre otros). Entre los métodos usados para la medición de la producción de metano en el ensayo AME se menciona desplazamiento de líquido, cromatografía gaseosa y respirometría (Chernicharo, 1997).

La AME puede ser usada como análisis de rutina para cuantificar la actividad de la población metanogénica, además de ofrecer otras aplicaciones como son: evaluar el comportamiento de la biomasa bajo el efecto de compuestos potencialmente inhibidores, determinar la toxicidad relativa de compuestos químicos presentes en efluentes, establecer el grado de degradabilidad de diversos sustratos, monitorear los cambios de actividad del lodo debido a una posible acumulación de materiales inertes, determinar la carga orgánica máxima que puede ser aplicada para un determinado tipo de lodo y evaluar parámetros cinéticos (Chernicharo, 2007)

Los ensayos AME mostraron ser una herramienta útil en la evaluación y optimización del proceso anaerobio; en este estudio se verificó los beneficios del Bicarbonato como alcalinizante y buffer para el desarrollo de la digestión anaerobia. Así pues efectivamente se garantizó la alcalinidad bicarbonática (AP) mayor que la alcalinidad de ácidos volátiles (AI). En próximos estudios se puede verificar la importancia de las variables alcalinidad bicarbonática y del índice AI/AP para el control de proceso anaerobio.

[De los objetivos, marco, método, resultados y sus discusión]El tratamiento anaerobio es una opción para el tratamiento de aguas.La actividad metanogenica máxima especifica es un parámetro importante xq…Aunque no existe un ensayo estándar, el de Soto et al. 1993El lodo ensayado tiene un contenido de solidos de…esto indica (mineralización o biodegrdabilidad?)La actividad del lodo es …. Rango, qué indica.

VII. REFERENCIAS

Anzola Rojas, Mélida del Pilar, Oliveira Netto, Antonio, Zaiat, Marcelo. 2008. Actividad Metanogénica Específica En Un Reactor Anaerobio - Aerobio Aplicado Al Tratamiento De

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Agua Residual Doméstica. Interciencia [En Línea]. Consulta: 29 de noviembre de 2013. Disponible en <http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=33933409>

Aquino, S., Chernicharo, C., Foresti, E., Florencio Dos Santos, M. & Monteggia, L. 2007. Metodologías para determinar la actividad Metanogénica Específica (AME) en Lodos Anaerobios. Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiente. Vol. 12 N° 2.

Chia – Fang Hsieh. 2009. Toxicidad Metanogénica de Purín de Cerdo mediante Ensayos Discontinuos. Memoria para optar por el título de Ingeniería Civil Ambiental. Universidad La Serena. Chile. Consulta: 30 de noviembre del 2013. Disponible en:<http://www.eula.cl/doc/tesis_chiafang_hsieh.pdf>

Field, J., Sierra, A. & Lettinga, G. 1988. Ensayos anaeróbicos. 4to Simposio de Tratamientos Anaerobios de Aguas residuales. Valladolid, España. Citado por: Chia-Fang Hsieh. 2009. Toxicidad Metanogénica de Purín de Cerdo mediante Ensayos Discontinuos. Universidad de Concepción. Chile.

Jawed M, y Tare V. 1999. Microbial composition assessment of anaerobic biomass through methanogenic activity tests. Water SA.

López Torres, Matilde, Villa Gómez, Pilar, Montalvo, Silvia J. & Escobedo Rigoberto. Incidencia del Pre Tratamiento de sólidos en la Flora Microbiana de Reactores Anaerobios. La Habana. Cuba.

Ortiz Jordá, Verónica. 2011. Puesta a Punto de una Metodología para la Determinación de la Actividad Metanogénica Específica (AME) de un Fango Anaerobio mediante el Sistema OXITOP. Influencia de las Principales Variables Experimentales. Universidad Politécnica de Valencia. España.

Rodríguez V., Jenny Alexandra. S.F. Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales. Universidad del Valle. Colombia.

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17

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Valdez, César Enrique. Alba B. Vásquez González. 2003. Ingeniería de los sistemas de tratamiento y disposición de aguas residuales. ICA. México.

VIII. ANEXOS

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1. ANEXO I: Datos Meteorológicos del Observatorio Von Humboldt (SENAMHI. 2013)

2. ANEXO II: Registro Fotográfico

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*Crisolo con residuos del análisis de sólidos

*Mezclado del lodo *Medición de pH

20

*Agregado del catalizador

*Sistema instalado y en funcionamiento

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