石油大学水处理工程实验讲义2.docx

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石油大学水处理工程实验讲义2

水处理工程实验讲义

中国石油大学环境科学与工程系

2009年9月

实验一自由沉淀实验

一、实验目的

了解自由自由沉淀特点和规律，掌握自由沉淀的实验方法和实验数据整理方法。

观察沉淀过程，求出沉淀曲线。

二、实验原理

沉淀是水污染控制过程中去除水中杂质的常用方法。

沉淀分为四种基本类型：

自由沉淀；凝聚沉淀；成层沉淀；压缩沉淀。

当悬浮物浓度不高且无絮凝性时常发生自由沉淀。

在自由沉淀过程中，颗粒呈离散状态，互不干扰，其形状、尺寸、密度等均不改变，下沉速度恒定。

因此，自由沉淀常用来去除低浓度的离散性颗粒如沙砾、铁屑等。

自由沉淀实验可在沉淀柱中进行，如图1-1。

设沉淀柱内有效水深为H，实验开始时，沉淀时间为零，水样中悬浮物浓度为C0mg/L，此时沉淀去除率为零。

当沉淀时间为t1时，能够从水面到达和通过取样口断面H处的颗粒沉速为u01=H/t1，沉速大于u01的所有颗粒全部沉过了取样面，而沉速小于u01的颗粒浓度不变。

令t1时取样浓度为C1，即得到小于沉速u01的悬浮物浓度为C1。

C1/C0表示沉速小于u01的悬浮物占全部悬浮物的比例。

图1-1自由沉淀示意图

如果设x0代表沉速≤u0的颗粒所占的百分数，则在悬浮颗粒总数中，去除的百分数可用1-x0表示。

而对于沉速u≤u0的各种颗粒来说，其去除的部分等于u/u0。

因此考虑各种颗粒的粒径时，沉淀过程中颗粒总的去除百分数为：

令C1/C0=x01，在不同的沉淀时间便可以依次得到u02、x02、u03、x03……，把u0i、x0i绘成曲线就得到了不同沉速的累积曲线。

各种颗粒沉淀的总去除率可以用图解法确定，即如图1-2中阴影部分所示。

图1-2颗粒沉降速度累计频率分配曲线

三、实验装置与设备

自由沉淀实验装置由沉淀柱、水泵和溶液调配箱组成（见图1-3）。

其中沉淀柱由两根带法兰盘的有机玻璃管组成，上面开有5个取样龙头。

水泵输水管和沉淀柱进水管均采用塑料。

图1-3自由沉淀实验装置

实验设备与仪器仪表

1、溶液调配水箱塑料板焊制1个

2、水泵最大流量4.5m3/h1台

最高扬程4m

3、沉淀柱有机玻璃管1根

φ150×2000mm

4、烘箱1台

5、电子天平1台

6、抽滤装置1套

7、烧杯100ml5个

8、称量瓶30×605个

9、干燥器1台

10、蒸馏水等

四、实验步骤

1、在溶液调配桶中用皂土配置出500～800mg/l的水样进行实验。

2、测定水样中悬浮物的浓度，取100ml水样过滤，烘干测重。

3、开启沉淀柱进水阀门，启动水泵，待沉淀柱水面上升到指定位置时，关闭进水阀门，记录沉淀开始时间。

4、经过10、20、30……60min分别在沉淀柱下部固定取样口取样一次，每次取样100ml。

把水样过滤，烘干测重。

五、实验结果整理

1、整理实验记录数据，作出表观去除率E与沉速u以及总去除率η与沉速u的沉淀关系曲线。

表1-1实验数据记录表

水样名称:

取样日期:

实验日期:

沉淀柱直径:

截面积:

水温:

静置沉淀时间/min

水体积/ml

称量

瓶号

称量瓶及滤纸共重/g

称量瓶、滤纸及SS共重/g

水样中SS重量/g

SS浓度/mg·L-1

SS的平均浓度/mg·L-1

沉淀

效率*

/%

沉淀柱内工作水深/mm

颗粒沉速/mm·s-1

量取水样

排出积水

六、实验结果讨论

1、分析实验所得结果。

2、分析不同工作水深的沉淀曲线，如果应用到设计沉淀池，需注意什么问题？

实验二絮凝沉淀实验

一、实验目的

絮凝沉淀的特点是颗粒在沉淀过程中其尺寸、质量会随深度增大而增大，因而沉速也随深度而增大。

絮凝颗粒的沉淀轨迹是一条曲线，但难以用数学方法表达，因此要用实验室的沉淀分析来确定必要的设计参数。

通过本实验希望达到下述目的：

（1）了解絮凝沉淀的特点和规律；

（2）掌握絮凝沉淀实验方法和实验数据整理方法。

二、实验原理

3

H

B、Vb

A、Va

A、B、Vab

2

1

图2-1絮凝颗粒的沉淀轨迹示意图

1、2颗粒A和B的沉淀轨迹、其沉速分别为Va和Vb；3A、B颗粒碰撞聚成较大颗粒AB侯的轨迹，其沉速为VabVab>Va>Vb；4絮凝颗粒沉淀轨迹

如图2-1所示，絮凝颗粒A、B在沉淀过程中互相碰撞后形成了新的颗粒AB，由于其尺寸增大，故沉速Vab明显大于A、B二颗粒各自的沉速Va和Vb，并沿着新的轨迹下沉。

由于生产性沉淀池中水力特性的影响，实际的絮凝沉淀过程远比图2-1所示的现象复杂。

颗粒碰撞时，可能互相阻碍作用，故在絮凝期间，颗粒向下运动的同时也可能在向上运动。

此外，颗粒到达池底以前还可能因液流的作用被破碎。

目前尚无理论公式可以用以描述沉淀池中这一复杂现象。

一般是通过沉淀柱中的静态实验来确定某一指定时间的悬浮物去除率。

将此实验结果用于生产性沉淀池设计时，为了补偿紊流、短流和进出口损失的影响，埃肯费尔德（Eckenfelder）建议，根据实验选定的溢流率应除以1.25-1.75的系数，停留时间应乘以1.5-2.0的系数。

沉淀柱的不同深度设有取样口。

实验时，在不同的沉淀时间，从取样口取出水样，测定悬浮物的浓度，并计算出悬浮物的去除百分率。

然后将这些去除百分率点绘于相应的深度与时间的坐标上，并绘出等效率曲线（见图2-2），最后借助于这些等效率曲线计算对应于某一停留时间的悬浮物去除率。

具体计算方法如下：

1、计算uo

是指某一指定沉淀时间to时，在沉淀柱底部（深度为H）取样口处能全部被去除的最小颗粒的沉速。

即沉速大于和等于的颗粒全部都被去除。

其相应的去除百分

率为Eo,uo=H/to。

例如图2-2中相应于沉淀时间为23min的Eo=40%，沉淀速度为

2、计算沉速小于uo的颗粒的去除百分率

沉淀速度小于uo的颗粒在沉淀时间时，只有一部分沉到底部，而且按ui/uo的比例去除。

去除率在Pn至Pn-1之间的各种颗粒具有各自的沉淀速度，但不可能一一进行计算，而是以一平均速度来表示，其值等于平均高度除以时间，平均高度等于去除百分率为（Pn+Pn-1）/2曲线在时间to处的高度。

例图2-2中去除百分率40%至50%之间的颗粒在时间to=23min时的沉速为1.28×60/23=3.34m/h。

这部分颗粒的去除百分率为（3.34/4.7）（50-40）=7.1%

3、计算总去除百分率E

E=EO+（u1/uO）（P2-P1）+（u2/uO）（P3-P2）+…+（un/uO）（Pn-Pn-1）

由于，u1/uo=h1/H，u2/uo=h2/H，所以在实际应用中总去除百分率的计算可以简化为：

E=EO+（h1/H）ΔP+（h2/H）ΔP+…+（hn/H）ΔP

式中：

P1、P2…Pn为悬浮物去除百分数；

ΔP=P2-P1=P3-P2=…=Pn-Pn-1

h1、h2…hn是由水面向下测的深度。

例如图2-2中沉淀时间为23min的总去除百分率为

E=40+（1.28/1.8）*10+（0.7/1.8）*10+（0.4/1.8）*10+（0.15/1.8）*10=54%

图2-2絮凝沉淀的等效率曲线

a、等效率曲线

b、等效率曲线计算对应于某一停留时间的悬浮去除率

三、实验装置和设备

（一）实验装置

实验装置由高位水箱和沉淀柱组成，见图2-3。

用人工配制实验水样。

图2-3絮凝实验装置

（二）实验设备与仪器仪表

1、高位水箱硬塑料制

0.50×0.35×0.45m31只

2、沉淀柱有机玻璃管1根

高度H=1.7m直径D=0.09m

3、量筒或烧杯100ml30个

4、浊度仪

四、实验步骤

1、向高位水箱中注入50升自来水，需要加入筛过的粘土。

2、在高位水箱内按500～700mg/l的浓度配制实验水样，例如称取25～35g硫酸铝用烧杯先溶解后倒入高位水箱。

3、迅速搅拌1～2min，然后缓慢搅拌。

4、矾花形成后，取200ml测定悬浮物含量（SS）。

5、打开旋塞把水样注入沉淀柱，待水样注入到约1.5m处时，关闭旋塞。

6、记录沉淀开始时间，10min后，在四个取样口同时取100ml水样，测定各样品的悬浮物含量（SS）。

7、在第20，30，40，50，60min各取一次水样，每次都是四个取样口同时取100ml水样，并测定各样品的悬浮物含量（SS）。

注意事项：

1、由于絮凝沉淀的悬浮物去除率与池子深度有关，所以试验用的沉淀柱的高度，应与拟采用的实际的沉淀池高度相同。

2、水样注入沉淀柱速度不能太快，要避免矾花搅动影响测定结果的正确性。

也不能太慢，以免实验开始前发生沉淀。

3、由于水样中悬浮固体浓度较低，测定时易产生误差，最好每个水样都能做两个平行样品，但取样太多会影响水深，因此可2-3组同学做同样浓度的实验，然后取平均值以减少误差。

4、水中悬浮物的测定方法（重量法）

采用中速定量滤纸为滤料，将一张滤纸放在称量瓶中，打开瓶盖，每次在103-105℃烘干2h，取出后放在干燥器中放冷后盖好瓶盖称重，直至恒重为止（两次称重相差不超过0.0005g）。

除去漂浮物后，振荡均匀水样，取一定体积的水样通过称至恒重的滤纸过滤；用蒸馏水冲洗3-5次。

小心取下滤纸，放入原称量瓶内，在103-105℃烘箱中，打开瓶盖，每次烘2h取出，在干燥器中放冷后盖好瓶盖称重，直至恒重为止。

求两次恒重称重结果的平均值之差，即为水样中的悬浮物质量。

进而求得水样中的悬浮物含量。

五、实验结果整理

1、记录实验设备基本参数

实验日期年月日

沉淀柱高度H=m沉淀柱直径D=m

用简图表示取样口位置

2、实验数据可参考表2-1记录

表2-1絮凝沉淀实验数据记录

原水样悬浮固体浓度=mg/l

时间（min）

取样口深度（m）

h1

h2

h3

h4

h5

h6

10

20

30

40

50

60

注：

表中数据为悬浮固体去除百分率。

3、将表2-1实验数据点绘于相应的代表深度和时间的坐标上，并绘出等效率曲线。

4、根据等效率曲线算出5-6个不同沉淀时间的悬浮固体总去除百分率，并计算相应的沉淀速度和溢流率。

计算结果列于表2-2中。

表2-2实验数据整理

时间①

（min）

沉淀速度②

（m/h）

悬浮固体总去除百分率（%）

溢流率③

（m3/（m2·d））

①时间可取实验时间范围内的任意5-6个值。

②沉淀速度等于沉淀柱底部的深度除以上述选定的时间。

③溢流率是由沉淀速度换算得到的（溢流率=沉淀速度×24）

5、用表2-2中的数据，作悬浮固体总去除百分率与沉淀时间t的关系曲线，及作悬浮固体总去除百分率与溢流率的关系曲线。

六、实验结果讨论

1、有资料介绍可以用仅在沉淀柱中部（二分之一柱高处）取样分析的实验方法近似地求絮凝沉淀去除率，试用实验结果比较两种方法的误差，并讨论其优缺点。

2、试述絮凝沉淀、自由沉淀的沉淀特性对沉淀设备的影响。

实验三压力溶气气浮实验

一、实验目的

在水污染控制工程中，固液分离是一种和重要的水质净化单元过程。

气浮法是进行固液分离的一种方法。

它常被用来分离密度小于或者接近于“1”，难以用重力自然沉降法去除的悬浮颗粒。

例如，从天然水中去除藻、细小的胶体杂质，从工业污水中分离短纤维、石油微滴等。

有时还用以去除溶解性污染物，如表面活性物质、放射性物质等。

由于悬浮颗粒的性质和浓度、微气泡的数量和直径等多种因素都对气浮效率有影响，因此，气浮处理系统的设计运行参数常要通过实验确定。

通过实验希望达到下述目的：

掌握压力溶气气浮实验的基本原理和方法。

二、实验原理

压力溶气气浮法的工艺流程如图3-1所示，目前以部分回流式应用最广（图3-1c）。

图3-1压力溶气气浮的三种型式（a．全部废水加压溶气气浮；b．部分废水加压溶气气浮；c．部分处理过的废水回流加压溶气气浮）

进行气浮时，用水泵将污水抽送到压力为2～4个大气压的溶气罐中，同时注入加压空气。

空气在罐内溶解于加压的污水中，然后使经过溶气的水通过减压阀进入气浮池此时由于压力突然降低，溶解于污水中的空气便以微气泡的形式从水中释放出来。

微细的气泡在上升的过程中附着于悬浮颗粒上，使颗粒密度减小，上浮到气浮池表面与液体分离。

由斯托克斯公式

可以知道，粘附于悬浮颗粒上气泡越多，颗粒与水的密度差（ρ水-ρ颗）就越大，悬浮颗粒的特征直径也越大，两者都使悬浮颗粒上浮速度增快，提高固液分离的效果。

水中悬浮颗粒浓度越高，气浮时需要的微细气泡的数量越多，通常以气固比表示单位重量悬浮颗粒需要的空气量。

（3-1）

气固比与操作压力、悬浮固体的浓度、性质有关。

对活性污泥进行气浮时，气：

固=0.005～0.06，变化范围较大。

气固比可按下式计算：

式中：

A/S——气固比（g释放的空气/g悬浮固体）；

Sγ——入流中的悬浮固体浓度（mg/l）；

Qγ——加压水回流量（l/d）；

Q——污水流量（l/d）；

Sa——某一温度时的空气溶解度（可查下表得到）。

温度（℃）

0

10

20

30

Sa（ml/l）

29.2

22.8

18.7

15.7

p——表压kPa；

f——压力为P时水中的空气溶解系数，通常采用0.5；

1.3——1ml空气的重量（mg）。

出流水中的悬浮固体浓度和浮渣中的固体浓度与气固比的关系如图3-2所示。

图3-2气固比对浮渣固体浓度和出水悬浮固体浓度的影响

由图3-2可以看到，在一定范围内，气浮效果是随气固比的增大而增大的，即气固比越大，出水悬浮固体浓度越低，浮渣的固体浓度越高。

三、实验装置及设备

（一）实验装置

气浮实验装置由吸水池、水泵、空气压缩机、溶气罐、溶气释放器、气浮池等部分组成，如图3-3所示。

图3-3气浮实验装置

（二）实验设备和仪器仪表

1、配水箱1个

2、水泵1台

3、溶气罐1个

4、精密压力表1个

5、空气压缩机1台

6、释放器6个

7、气浮池6个

8、玻璃转子流量计6个

9、烧杯若干

10、电子天平1台

11、烘箱1台

12、浊度仪1台

四、实验步骤

本实验是在压力溶气气浮装置中，用硅藻土配制实验溶液，测定气浮过程硅藻土的去除效率。

具体过程叙述如下：

1、启动水泵将自来水打入溶气罐。

2、启动空气压缩机。

3、开启溶气罐进气阀门，并通过调节调压阀和进水阀门使溶气罐内的压力与液位基本稳定（建议溶气罐的操作压力为0.29MPa，即3kg/cm2）。

4、维持溶气罐内液位在1/3-1/2处，当仪器稳定5min后即用烧杯可收集从气浮池出来的净水。

5、在收集净水的同时用烧杯收集污水池中的污水。

测定两个样品的浊度。

6、测定在不同浓度下硅藻土溶液的浊度，绘制浓度-浊度曲线，根据曲线将浊度换算成浓度进行计算。

7、每隔15min重复上述4，5步。

五、实验结果整理

1、写出压力溶气气浮流程图。

六、实验结果讨论

1、试述工作压力对溶气效率的影响。

2、讨论影响气浮效果的因素有哪些？

各有什么样的影响效果。

实验四过滤与反冲洗实验

一、实验目的

过滤是具有孔隙的物料层截留水中杂质从而使水得到澄清的工艺过程。

常用的过滤方式有砂滤、硅藻土涂膜过滤、烧结管微孔过滤、金属丝编织物过滤等。

过滤不仅可以去除水中细小悬浮颗粒杂质，而且细菌病毒及有机物也会随浊度降低而被去除。

本实验按照实际滤池的构造情况、内装石英砂滤料或陶瓷滤料、利用自来水进行清洁砂层过滤和反冲洗实验。

通过实验希望达到下述目的：

（1）了解滤料的级配方法；

（2）掌握清洁砂层过滤时水头损失的计算方法和水头损失变化规律；（3）掌握反冲洗滤层时水头损失计算方法。

二、实验原理

为了取得良好的过滤效果，滤料应具有一定级配。

生产上有时为了方便起见，常采用0.5mm和1.2mm孔径的筛子进行筛选。

这样就不可避免地出现细滤料（或粗滤料）有时过多或过少的现象。

为此应采用一套不同筛孔的筛子进行筛选，并确定d10、

（4-1）

d80值，从而决定滤料级配。

在研究过滤过程的有关问题时，常常涉及到孔隙度的概念，其计算方法为：

式中：

m——滤料孔隙（率）度（%）；

Vn——滤料层孔隙体积（cm3）；

V——滤料层体积（cm3）；

Vc——滤料层中滤料所占体积（cm3）；

G——滤料重量（在105℃下烘干）（g）；

γ——滤料重度（g/cm3）。

（4-2）

滤层截污量增加后，滤层孔隙度m减小，水流穿过砂层缝隙流速增大，于是水头损失增大。

均匀滤料的水头损失计算表达式为：

式中：

K——无因次数，通常取K=4～5；

d0——滤料粒径（cm）；

υ——过滤滤速（cm/s）；

L——滤层厚度（cm）；

γ——水的运动粘滞系数（cm2/s）；

ψ——滤料颗粒球形度系数，可取0.80左右。

式（4-2）的第一项属于粘滞项，第二项为动力项，根据滤速的大小不同，各项值占的比例不同。

（4-3）

为了保证滤后水质和过滤滤速，当过滤一段时间后，需要对滤层进行反冲洗，使滤料层在短时间内恢复工作能力。

反冲洗的方式有多种多样，其原理是一致的。

反冲洗开始时承托层、滤料层未完全膨胀，相当于滤池处于反向过滤状态，这时滤层水头损失可用式（4-2）计算。

当反冲洗速度增大后，滤料层完全膨胀，处于流态化状态。

根据滤料层膨胀前后的厚度便可求出膨胀度（率）。

式中：

L——砂层膨胀后厚度（cm）；

L0——砂层膨胀前厚度（cm）。

（4-4）

膨胀度e值的大小直接影响了反冲洗效果。

而反冲洗的强度大小决定了滤料层的膨胀度。

反冲洗强度可按下列公式计算：

式中：

q——冲洗强度（1/s·m2）；

de——滤料的当量粒径（cm）；

μ——动力粘度（Pa·s）；

e——膨胀率，用小数表示；

m0——滤层原来的孔隙度。

（4-5）

滤料的当量粒径de可用下式计算得到：

式中：

di1、di2——相临两层滤料粒径（cm）；

pi——di粒径的滤料占全部滤料的比例

（4-6）

对于不均匀滤料的水头损失计算式为

式中符号同（4-2、4-3）。

三、实验装置与设备

（一）实验装置

本实验采用如图4-1所示的实验装置。

过滤和反冲洗水来自高位水箱。

高位水箱的容积（图中未标出）为2×1.5×1.5m3，高出地面10m。

图4-1过滤实验装置示意图

1、过滤柱2、滤料层3、承托层4、转子流量计5、过滤进水阀门

6、反冲洗进水阀门7、过滤出水阀门8、反冲洗出水管

9、测压板10、测压管

（二）实验设备及仪器仪表

1、过滤柱有机玻璃d=100mmL=2000mm1根

2、转子流量计LZB-25型1个

3、测压板长×宽3500×500mm31块

4、测压管玻璃管φ10×1000mm7根

5、筛子孔径0.2～2mm，中间不少于4档1组

6、量筒1000ml，100ml各1个

四、实验步骤

（一）滤料筛分和孔隙度测定步骤

1、称取滤料砂500g洗净后于105℃恒温箱中烘干1小时，放在干燥器内，待冷却后称取300g。

2、用孔径为0.2～2.0mm的一组筛子过筛，称出留在各筛号上的砂重。

3、分别称取孔径为0.5、0.8、1.2mm筛号上的砂子各20g，置于105℃恒温箱中烘干1小时，放干燥器内冷却。

4、称取上述滤料各10g，用100ml量筒测出堆体积V。

5、用带有刻度的容量瓶测出各滤料体积Vc。

（二）清洁砂层过滤水头损失实验步骤

1、开启阀门6冲洗滤层1min。

2、关闭阀门6，开启阀门5、7快滤5min使砂面保持稳定。

3、调节阀门5、7，使出水流量约8-10ml/s（即相当于d=100mm过滤柱中滤速约4m/h），待测压管中水位稳定后，记下滤柱最高最低两根测压管中水位值。

4、增大过滤水量，使过滤流量依次为13、17、21、26ml/s左右，最后一次流量控制在60-70ml/s，分别测出滤柱最高最低两根测压管中水位值，记入表4-3中。

5、量出滤层厚度L0。

（三）滤层反冲洗实验步骤

1、量出滤层厚度L0，慢慢开启反冲洗进水阀门6，使滤料刚刚膨胀起来，待滤层表面稳定后，记录反冲洗流量和滤层膨胀后的厚度L。

2、开大反冲洗阀门6，变化反冲洗流量。

按步骤1测出反冲洗流量和滤层膨胀后的厚度L。

3、改变反冲洗流量6-8次，直至最后一次砂层膨胀率达100%为止。

测出反冲洗流量和滤层膨胀后的厚度L，记入表4-4中。

注意事项：

1、用筛子筛分滤料时不要用力拍打筛子，只在过滤结束时轻轻拍打一次，筛孔中的滤料即会脱离筛孔。

2、反冲洗滤柱中的滤料时，不要使进水阀门开启度过大，应缓慢打开以防滤料冲出柱外。

3、在过滤实验前，滤层中应保持一定水位，不要把水放空以免过滤实验时测压管中积存空气。

4、反冲洗时，为了准确地量出砂层厚度，一定要在砂面稳定后再测量，并在每一次反冲洗流量下连续测量三次。

五、实验结果整理

（一）滤料筛分和孔隙测定实验结果整理

1、根据砂滤料筛分情况建议按表4-1进行记录。

表4-1滤料筛分记录表

实验日期年月日

筛孔（mm）

留在筛上的砂量

通过该筛号的砂量

重量（g）

%

重量（g）

%

2、根据表4-1所列数据，取d=0.4，d=1.2，绘出滤料筛分曲线。

并求出原滤料砂筛除的百分比。

3、根据粒径0.5、0.8、1.2mm滤料重量、体积、容量分别求出它们的孔隙度m值。

（二）清洁砂层过滤水头损失实验结果整理

1、按照滤柱内所装滤料情况填入表4-2。

2、将过滤时所测流量、测压管水头填入表4-3。

3、根据表4-3中第5列和第8列数据绘出水头损失H与流速υ关系曲线。

4、根据表4-2、表4-3及滤料筛分和孔隙度测定实验数据，代入式（4-6）求出水头损失理论计算值。

5、比较过滤水头损失理论计算值和实测值的误差。

记入表4-3第10列中

表4-2滤料粒径计算表

平均粒径di（cm）

di（%）

di2（cm2）

pi/di

pi/di2

备注

∑pi=100%∑（pi/di）=∑（pi/di2）=

表4-3清洁砂层水头损失实验记录表

序号

测定次数

流量Q

（ml/s）

滤速

实测水头损失

水头损失理论计算值

误差

（h-H）/h（%）

备注

Q/W

（cm/s）

36Q/W（m/h）

测压管水头cm

h=hb-ha（cm）

hb

ha

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

1

2