Normalment, el nombre detapes de tipus físic és sempre superior al detapes químiques o biològiques, fins i tot hi ha processos de tractament en què no hi ha cap etapa de reacció. Si saprofundeix en lestudi daquestes etapes físiques, es pot comprovar que el seu nombre és limitat i que, a més a més, es repeteixen en diferents sistemes de tractament. Aquesta observació ha donat lloc al concepte operació bàsica o unitària, com normalment sanomenen aquestes etapes en la indústria química i que lenginyeria ambiental ha adoptat a partir daquesta. Des del punt de vista pedagògic resulta molt més útil i senzill estudiar les operacions bàsiques (limitades) que els sistemes complets de tractament (infinites variacions). Si es coneixen les diferents operacions unitàries que la tecnologia actual posa al nostre abast, es podran acoblar de tal forma que es puga dissenyar un sistema de tractament per a un cas concret. Algunes daquestes operacions les més importants són les que veurem en aquest apartat.
El concepte operació bàsica o unitària, que lenginyeria ambiental pren de lenginyeria química, es va encunyar a linici del segle xx. La importància daquest concepte rau en el fet que a partir dell es va poder arribar a una primera sistematització en lestudi dels processos de transformació. Una mateixa operació saplica a diferents processos amb independència del sistema considerat. Per exemple, una operació de filtratge del fang produït en una estació depuradora daigües residuals per disminuir el seu contingut daigua és anàleg a un filtratge per a leliminació de partícules sòlides duna emissió atmosfèrica.
Laprofundiment en lestudi daquestes etapes físiques, gràcies a la intensa recerca en aquest camp, ha permès arribar a la conclusió que totes les operacions bàsiques responen a tres fenòmens físics anàlegs, denominats fenòmens de transport, els quals es regeixen per lleis que són essencialment similars. En totes les operacions bàsiques es produeix el transport dalmenys una de les tres propietats: matèria, energia i/o quantitat de moviment. Aquests fenòmens de transport (que es poden produir tant al si de sòlids i de fluids com entre sòlids i fluids) són conseqüència de lexistència de gradients de concentració daquestes propietats i representen la tendència del sistema a arribar a un equilibri.
Així, per exemple, en el cas de la circulació de fluids lenergia que es dissipa per fregament es tradueix en un transport de quantitat de moviment entre zones del fluid que es desplacen a diferent velocitat. El transport de calor té lloc entre regions del sistema amb diferent concentració energètica, és a dir, amb diferent temperatura. El transport de matèria representa el canvi de composició duna mescla (líquida o gasosa) com a conseqüència del desplaçament dalgun o dalguns dels components de les zones on la seua concentració és major a zones on és menor.
És important fer una distinció entre els processos de transport de les tres propietats al si dun fluid i el transport pel desplaçament del fluid. El primer, tal com sha indicat, és conseqüència exclusiva de lexistència duna força impulsora (un desequilibri o gradient de concentracions) que tendeix a lequilibri; el segon és conseqüència simplement del moviment del fluid.
Els tres fenòmens de transport (quantitat de moviment, matèria i energia) es produeixen gairebé sempre simultàniament, però la seua importància relativa varia en cada cas de forma que el més lent és el fenomen que controla el procés, és a dir, el que determina la velocitat global del procés i, en conseqüència, el que determina la grandària de lequip en el qual es desenvoluparà loperació concreta. Així, les operacions unitàries es poden classificar segons el fenomen que controla el procés:
Operacions basades en el transport de la quantitat de moviment.
Operacions basades en el transport denergia.
Operacions basades en el transport de matèria.
Tot seguit es descriuen les operacions unitàries més representatives de cada tipus.
1.3.1 Operacions unitàries basades en el transport de la quantitat de moviment
Aquestes operacions corresponen fonamentalment al transport de fluids i es poden classificar en dos grans grups:
a)De flux intern, és a dir, el fluid circula per linterior de conduccions.
Lestudi de la circulació de fluids en conduccions socupa del càlcul de la pèrdua de pressió del fluid per determinar el diàmetre de la conducció o la potència de la bomba o del compressor necessari per fer-lo-hi circular.
b)De flux extern, és a dir, un sòlid es desplaça al si dun fluid.
Filtratge: operació de separació dun sòlid en suspensió en un fluid en fer passar la mescla per un medi permeable al fluid i impermeable al sòlid.
Sedimentació: separació sòlid-líquid per acció de la gravetat. El líquid es deixa en repòs de forma que el sòlid, amb una densitat major, cau al fons per gravetat.
Centrifugació: separació de dues fases de densitat semblant mitjançant lacció dun camp de força centrífuga originada per un sistema mecànic de rotació.
1.3.2 Operacions unitàries basades en el transport denergia
La transmissió denergia en forma de calor pot ocórrer en molts processos, però només en alguns la velocitat de transmissió de calor és letapa que controla el procés. Algunes daquestes operacions amb interès per a lenginyeria ambiental són:
Bescanviadors de calor (figura 1.3). Loperació consisteix en la transmissió de calor entre dos fluids a diferents temperatures, separats per una paret metàl·lica o dalgun material dalta conductivitat tèrmica, és a dir, que oferisca poca resistència a la transmissió de calor. Loperació es pot dur a terme amb canvi de fase o sense (lelevada calor latent de vaporització de laigua fa que normalment sempre vapor daigua com a fluid calefactor).
Aquesta operació sutilitza en la digestió anaeròbia que sha plantejat en lexemple de la figura 1.2. El procés es du a terme a una temperatura superior a lambiental, per la qual cosa cal escalfar el sistema mitjançant un bescanviador de calor (es pot emprar com a fluid calefactor el vapor daigua que sobté a partir de la recuperació energètica del metà que produeixen les transformacions biològiques desenvolupades en la digestió).
Evaporació. Consisteix en leliminació del dissolvent duna solució per augmentar la concentració de solut (figura 1.4). La calor cedida pel vapor sempra per fer bullir la solució diluïda, de la qual sevapora el dissolvent. Aquesta operació pot ser econòmicament viable enfront dels tractaments biològics per tractar aigua amb matèria orgànica: si la concentració de matèria orgànica és baixa (entre 50 i 4.000 mgDQO/l), la millor alternativa és el tractament biològic aerobi; per a concentracinos més altes (entre 4.000 i 50.000 mgDQO/l), el tractament biològic anaerobi, i per a aigües amb una presència de contaminants orgànics molt elevada (> 50.000 mgDQO/l), la millor alternativa sol ser levaporació.
1.3.3 Operacions unitàries basades en el transport de matèria