La desalación de agua de mar ha adquirido en los últimos años un importante auge debido principalmente a la mejora de las tecnologías en ósmosis inversa y de los sistemas de recuperación de energía. Los sistemas de captación también han ido cambiando y mejorando con el transcurso de los años debido principalmente a la necesidad de adaptación a las nuevas normativas ambientales, mejoras tecnológicas y el aumento de calidad y eficiencia de las nuevas plantas. Tanto las tomas como los vertidos de las plantas son puntos con una elevada carga ambiental pues se desarrollan generalmente próximos a ecosistemas marinos, a menudo con alto grado de protección.
Actualmente los principales sistemas de captación de agua marina para desalación pueden clasificarse en:
- Tomas abiertas.
- Pozos/Sondeos verticales
- Drenes horizontales.
- Tomas mixtas.
En relación con el aspecto cualitativo, la toma abierta genera más incertidumbres, ya que es más vulnerable a todo tipo de vertidos contaminantes, presenta mayor variabilidad de calidad, y está sujeta a variaciones de temperatura. Por el contrario, el agua de pozos y drenes presenta generalmente una mejor calidad y es más homogénea.
Ahora bien, desde el punto de vista de la garantía de caudal, las ventajas son para la toma abierta, ya que la experiencia demuestra la dificultad de asegurar el caudal de producción en el agua de pozos y drenes por lo que, para plantas de producción media/alta se aconseja en condiciones normales la toma abierta de agua de mar, aunque presente el inconveniente de una mayor complejidad de ejecución y en muchos casos mayor inversión en la etapa de pretratamiento.
Una vez captado el agua necesaria puede enviarse directamente a la planta o a un depósito de bombeo intermedio, en el caso de tomas sin presión. La presión de entrada a la planta antes de pretratamiento generalmente oscila entre los 2 y 6 bares. Los bombeos intermedios antes de la entrada planta pueden ser en cámara seca o mediante bombas sumergibles.
Captación mediante pozos/sondeos
En los casos en los que se disponga del espacio necesario para la realización de suficientes pozos/sondeos y los estudios hidrogeológicos y las captaciones de prueba realizadas nos aseguren el caudal máximo y las analíticas de las muestras tomadas garanticen la calidad fisico-química y microbiológica requerida en función del destino final (abastecimiento, agricultura, industrial, etc), la toma de agua de mar mediante pozos suele ser la solución más adecuada, generalmente de menor inversión que la toma abierta, al reducir sensiblemente el pretratamiento de la planta y las obras marinas. Es conveniente, además de la ejecución de las captaciones necesarias para consegir el caudal máximo de la planta, la ejecución de sondeos de reserva, preparados para su rápida instalación y puesta en marcha en caso necesario (disminución de caudales, posibles ampliaciones, averias, limpiezas, etc).
La principal desventaja de este tipo de captaciones es, que aunque la inversión inicial habitualmente es menor que la de la toma abierta, a largo plazo los costes de explotación pueden ser mayores, ya que con el tiempo los sondeos tienden a colmatarse y pueden requerir operaciones de limpieza o reperforación, los equipos sumergidos en esas condiciones sufren averias mas frecuentes y necesitan un mayor mantenimiento, y por ende los caudales disminuyen, siendo necesario en ocasiones tener que realizar nuevos sondeos, que exigiran nuevas inversiones, autorizaciones administrativas, etc. No obstante, en plantas de poco caudal y baja inversión en pretratamiento, garantizan una calidad del agua excelente en la mayoría de los casos, y cuando el entorno hidrogeológico es adecuado, la perforación de pozos cercanos a la línea de costas es el procedimiento más adecuado.
Existen numerosas variantes para captar agua de mar con la menor cantidad posible de arrastres. Lo más usual consiste en la perforación de sondeos verticales.
En los acuíferos costeros bien comunicados con el mar, el contacto agua dulce-agua salada en régimen natural forma una superficie convexa hacia el mar con el agua dulce por encima, al ser menos densa. En realidad no existe un contacto neto sino toda una franja de espesor variable denominada interfase, con valores de salinidad comprendidos entre los extremos del agua dulce y del agua de mar.
Dado que los rendimientos de las áreas costeras suelen ser muy elevados, 500-600 mm suele ser un diámetro adecuado para la perforación. 100m suele ser una profundidad total suficiente y en algunos casos incluso menor, aunque dependerá de los estudios previos realizados para garantizar conseguir el mayor caudal y calidad posibles.
Además de tomar muestras representativas del terreno, de cada metro perforado y de su correcto reconocimiento e interpretación, hay que hacer una testificación del sondeo previo a su entubación.
Generalmente los sondeos se pueden realizar por diferentes métodos según el tipo de terreno:
- Percusión
- Rotación
- Roto-Percusión
Sondeos a percusión
Las acciones esenciales de este tipo de perforación son:
a) Rotura de la roca: Se basa en la acción percutora y constante de una herramienta alternativamente levantada y dejada caer que puede ser maziza o hueca, que consigue un efecto de fracturación del terreno.
b) Extracción del detritus y la limpieza del sondeo. Se realiza mediante una válvula especial llamada "cuchara".
c) Fluido de perforación: La perforación necesita de un fluido que ponga en suspensión a los detritus (colada de barro), si ‚este no existe de forma natural. Generalmente es agua a la que puede añadirse bentonita.
d) Mantenimiento de las paredes de la obra, a través de tuberías de revestimiento colocadas según avanza la perforación. Se suele colocar una camisa perdida los primeros metros para evitar que se cierre la boca de la perforación.
La perforadora está compuesta de un armazón y un mástil, normalmente asentada sobre un remolque o camión; consta de un motor que transmite su fuerza motriz a una rueda excéntrica, transformando el movimiento giratorio en vertical que lo transfiere al balancín.
A este último elemento va sujeto el cable que sustenta la columna de perforación apoyado a su vez en el mástil de 10 a 15 metros de altura provisto de un elemento de amortiguación. El ritmo normal de golpeo de una máquina está en una media de 45-60 golpes por minuto.
Este tipo de perforación es ideal para terrenos de dureza media y baja, entre 50 y 300 metros de profundidad, y sobre todo en terrenos fracturados aunque duros (dolomías, calizas, mármol, etc). En materiales sueltos va bien para pequeñas profundidades (50 metros).
Ventajas:
- Maquinaria de costo moderado.
- Simplicidad de las operaciones.
- Presenta débil colmatación en las paredes.
- Escaso consumo de agua.
- Detecta bien los acuíferos.
- Consigue diámetros importantes.
Inconvenientes:
- Interrupción de la perforación para limpieza.
- Avance lento.
- Problemas con materiales no consolidados.
- Entubaciones frecuentes.
- Limitación de profundidad.
- No es indicada para terrenos muy duros (rocas silíceas) o, por el contrario, en aquellos muy blandos (arcillas y margas).
Sondeos a rotación
Están basados en la acción conjunta de la presión ejercida sobre el fondo del pozo y el movimiento de giro de una herramienta de corte transmitido desde la superficie a través del varillaje. La inyección de un fluido a través de una tubería permite la extracción de residuos de forma continua, y el efecto de la perforación se basa en la abrasión, desgaste y molienda de la roca.
Existen dos sistemas de perforación a rotación: Rotación directa y rotación inversa, que difieren esencialmente en el sentido de circulación del lodo inyectado.
Los elementos fundamentales que intervienen en la ejecución de los sondeos a rotación son:
a) Sonda o máquina de perforación.
b) Instrumento de corte. Broca o barrena.
c) Columna o sarta de perforación.
d) Fluido de circulación.
La máquina dispone de un motor que transmite el movimiento a la denominada "mesa de rotación" que consiste en una pieza provista de un anillo circular dentado, hueca en el centro de sección cuadrangular o hexagonal. A través de este hueco se desliza una varilla de igual sección a la que la mesa de rotación hace girar al mismo tiempo que ella y a través de ella se inyecta a presión el lodo de la perforación, con ayuda de lo que se llama cabeza de inyección, situada directamente encima. Como cualquier sistema de perforación requiere de un mástil o torreta que puede llegar a los 50 metros de alto en sondeos profundos. La máquina de perforación debe ir provista de elementos que, además de producir el avance y el giro de la sarta, permitan la colocación de tuberías y filtros, así como impulsar un fluido a través de la columna de perforación.
Los dientes y las características de la broca varían, dependiendo de la mayor o menor dureza y abrasividad de los terrenos a atravesar.En términos generales el fluido, o lodo de perforación, está compuesto de una mezcla básica de agua y arcilla en suspensión, a la que se añaden diversos elementos para controlar características tales como densidad y viscosidad.
En la circulación directa el fluido es inyectado por el interior del varillaje y asciende a la superficie a través del espacio anular dejado entre éste y la pared del sondeo. Para la circulación de fluidos de circulación directa se utilizan bombas de pistón con presiones de hasta 30 kg/m2. Este sistema es el más adaptable a todas las condiciones del terreno por la gran variedad de brocas y elementos de control que existe sobre la perforación. En terrenos blandos (margas, arcillas) adquiere un claro predominio sobre los restantes sistemas de perforación.
La velocidad de avance depende de:
- La naturaleza de la roca. Dureza, fragilidad, abrasividad.
- La profundidad.
- El elemento de corte utilizado.
- La velocidad de rotación.
- El peso aplicado sobre el fondo.
- La presión y características del fluido de perforación.
Ventajas:
- Mayor velocidad de avance.
- Permite la ejecución de sondeos profundos.
- Especialmente recomendado en terrenos blandos.
- Permite perforar muchos metros sin necesidad de entubaciones auxiliares.
Los inconvenientes son:
- Ejerce un efecto de impermeabilización sobre las paredes del sondeo, que puede afectar a la posterior captación.
- Consumo de agua excesivo, cuando hay pérdidas de fluido.
- Diámetros reducidos.
- Facilidad de desvío de la perforación.
Rotación por circulación inversa
Es un caso particular de los métodos de perforación a rotación, que permiten eliminar en su mayor parte el efecto de colmatación de las paredes del sondeo producido la circulación directa. En la perforación a rotación por circulación los lodos, después de sufrir una decantación en la balsa, descienden por gravedad, a través del espacio anular, hasta el fondo del sondeo, para regresar a la superficie cargados de detritus por el interior del varillaje.
Este sistema requiere la ayuda de una bomba de aspiración, que suele estar combinada por inyección de aire comprimido a través de ranuras auxiliares del varillaje, con lo que se consigue una menor densidad en el tramo ascendente del fluido y por tanto una mayor velocidad de ascensión. Con ello se consigue reducir la presión en la perforación y, por tanto, el efecto de invasión del lodo en las formaciones permeables.
Las ventajas que presenta este método son:
- Permite realizar sondeos de gran diámetro (>600 mm.).
- Menor efecto de impermeabilización de los acuíferos por permitir la utilización de lodos de menor densidad y viscosidad, con una menor presión del lodo sobre las formaciones atravesadas.
- Pequeña velocidad del lodo por el espacio anular con reducción de los efectos erosión sobre las paredes del pozo.
- Es especialmente recomendable en formaciones o blandas.
Las limitaciones que tiene este método son fundamentalmente las siguientes:
- Requiere diámetros superiores a 300 mm.
- En caso de pérdidas de fluido, este sistema no permite ser utilizado. Si ello ocurre podrían ocasionarse derrumbes en el pozo.
- Disminuye su rendimiento en formaciones de cierta dureza.
- Cierta limitación que el efecto de aspiración impone a las profundidades a alcanzar.
Sondeos a roto-percusión
Esta técnica combina los dos métodos anteriores, rotación y percusión en uno solo. Utiliza un martillo de fondo, accionado por la inyección de aire comprimido, que se encuentra sometido al mismo tiempo a un efecto de giro transmitido por el varillaje desde la superficie. El aire al salir por las lumbreras de escape del martillo asciende por el espacio anular del sondeo arrastrando los detritus de perforación, al mismo tiempo que ejerce una acción de lubrificado del mecanismo de perforación.
La máquina y los elementos empleados en este sistema tienen mucha afinidad con los utilizados en la perforación a rotación. Los elementos diferenciadores se encuentran fundamentalmente en el uso del martillo de fondo, en el tipo de broca y en el empleo de aire comprimido como fluido de circulación.
El martillo de fondo se encuentra unido al elemento de corte o boca y le confiere a esta un efecto de golpeteo a modo de martillo neumático. Junto con el aire comprimido se emplea espumante y agua con objeto de ayudar a la acción de limpiado del sondeo. El caudal necesario es reducido, nunca mayor de 10 l/ min. La boca del martillo de fondo, o elemento percutor, es de diferente tipo según la formación a perforar. Las hay de cruceta para terrenos normales, semejantes a los trépanos, del método de percusión, y, de botón, para formaciones duras.
Entre las ventajas están las siguientes:
- Requiere poco peso sobre la boca (1.000-3.000 kg), por lo que no necesita barras de carga, y precisa una menor velocidad de rotación.
- Ejecución de sondeos más rectos. Ideal en formaciones inclinadas y fisuradas.
- Consigue mayores velocidades de perforación.
- Es especialmente adecuada para terrenos muy duros, donde supera ampliamente al resto de los sistemas de perforación.
- Costo reducido por metro perforado.
Entre sus limitaciones están:
- Limitación en los diámetros de perforación.
- No es adecuada en terrenos sueltos o poco consolidados.
- Efecto de colmatación sobre las formaciones atravesadas.
Tuberías de captación o filtro para sondeos
Los productos empleados en la construcción de sondeos para captación de agua marina requieren unos altos niveles de calidad. Tienen que estar concebidos para las necesidades particulares de la construcción de sondeos para agua de mar y ofrecer al mismo tiempo una buena relación coste-beneficio. Actualmente para las captaciones de agua de mar el PVC ofrece unas condiciones ideales, aunque las hay también de polietileno (mayor coste) y acero inoxidable (mayor coste y a largo plazo problemas de corrosión).
El PVC es completamente anticorrosivo, fácil de trabajar y ensamblar y tiene suficiente resistencia a pesar de su ligero peso. Con el empleo de elementos que se complementan perfectamente entre sí se consigue un ahorro de tiempo importante durante la instalación. Ello, unido a su vida útil, prácticamente ilimitada, hace que su rentabilidad sea muy alta.
Tras la entubación en tubos sin revestimiento de grava hay que proceder a la colocación de un empaque de grava silícea seleccionada de características decididas esencialmente a partir del análisis granulométrico de las muestras de terreno. Dado que estos sondeos pretenden captar agua de mar, es recomendable que la franja del acuífero ocupada por el agua dulce del acuífero y parte de la franja de transición quede aislada de la fracción filtrante, lo cual se consigue cementando esa franja normalmente 40-50 m de longitud y/o añadiendo arcillas expansivas que evitaría el inconveniente del fraguado del cemento, que es exotérmico y puede dañar a la tubería plástica.Los tubos de captación están provistos de una parte ciega, y otra filtro que coincide con el estrato de mayor permeabilidad.
Existen diferentes tipos de tubería de PVC para la captación de aguas mediante sondeos, entre otras:
a) Tubería PVC ranurada.
b) Tubería filtro con revestimiento de grava: Estos filtros ofrecen la ventaja de ofrecer un revestimiento de grava uniforme incluso a profundidades en las que un relleno de grava resulta costoso o difícil de realizar. El revestimiento, que consta en su mayoría de grava de cuarzo redonda (96% de SiO2), se aplica de forma uniforme sobre el filtro y se fija con precisión puntual y de forma permanente mediante resina epoxi.
c) Tubería Tipo Johnson: Sobre la base de un tubo de PVC nervado longitudinalmente y perforado según una retícula determinada se enrolla un hilo triangular reforzado que se suelda a los extremos. En función del espesor y la geometría del hilo se pueden conseguir diferentes aberturas. El espesor de la pared del tubo de PVC en combinación con los hilos perfilados y reforzados otorga a estos filtros una mayor resistencia a la presión exterior en comparación con los filtros de PVC ranurados. La permeabilidad de estos filtros ha sido probada en múltiples ensayos, poniendo de manifiesto unas permeabilidades muy superiores a los de los filtros ranurados de uso normal, siendo el coste un poco más elevado que la tubería convencional.
Equipos de Bombeo
En los sondeos para captación de agua de mar deben utilizarse equipos de bombeo cuyos materiales sean altamente resistentes a la corrosión y garanticen su durabilidad en el tiempo, para ello suelen utilizarse en todos sus elementos metálicos aceros inoxidables dúplex o superduplex.
Figura 6. Bomba sumergible tipo lápiz
Las bombas utilizadas suelen ser de tipo lapicero con motor sumergible, estas bombas se embridan directamente a una tubería de impulsión generalmente de acero inoxidable o de PVC sujetas a un brocal en la parte superior del sondeo.
El principio de funcionamiento de una bomba tipo lápiz, consiste en que sus impulsores centrífugos trabajan en serie y en posición vertical, lo que les da su característica forma alargada para su instalación en sondeos donde el espacio es reducido. Al estar sumergidas se sirven de la presión generada por la altura del agua para captar el agua por el extremo de succión en lugar de tener que aspirar el fluido lo cual aumenta enormemente su rendimiento.
Habitualmente estas bombas se dimensionan para enviar el agua directamente a la planta con el caudal y la presión requerida a la entrada de los filtros de arena. Cuando esto no es posible por estar situado a gran distancia de la planta o por elevada diferencia de cotas, se puede enviar a un bombeo intermedio, como es el caso de la Desaladora de Andratx en Mallorca, donde los pozos están dimensionados para romper carga en una arqueta de rotura y por gravedad se conducen al bombeo intermedio de alimentación a planta.
Tras la instalación se deben aforar los pozos a máxima producción primeramente de manera escalonada para conocer la curva característica de cada uno y su eficiencia. Con todo ello se conocerá muy bien el comportamiento de cada sondeo, aunque no hay que olvidar que se trata de conocer el comportamiento total del conjunto, prueba que no se podrá realizar hasta la puesta en marcha completa de la instalación, y en la que el caudal unitario es posible que descienda por las afecciones entre los sondeos, aspecto este que hay que tener muy en cuenta en los cálculos de dimensionamiento de la captación.
Cada sondeo y sus instalaciones suelen protegerse con una arqueta o cámara con las dimensiones y accesos necesarios para un correcto mantenimiento y conservación. En esta arqueta normalmente irán alojadas las válvulas de corte, antiretorno, sistemas de aireación o ventosas, instrumentación y acometida eléctrica y de envío de datos o señales al SCADA de la planta.
Las tuberías de impulsión de cada sondeo suelen ir conectadas a uno o varios colectores generales de entrada a la planta, (se recomienda la instalación de al menos dos lineas de entrada independientes pero interconectadas) en los que se se dispondrán los correspondientes caudalímetros y válvulas de seccionamiento, así como un by-pass al vertido de la planta, muy importante para evacuar el agua turbia en los arranques, o en caso de una posible contaminación del agua de los pozos poder derivar el agua no apta al vertido y evitar así un posible ensuciamiento o contaminación de filtros y membranas.
