生物质在数字和生态转型中成为一种有前景的可再生资源，贡献了全球可再生能源供应的一半以上[1]。在各种基于生物质的来源中，农业工业废弃物（如开心果外壳）可以成为生物能源生产的宝贵原料[2]。
尽管开心果外壳含有高比例的挥发性固体（VS）和化学需氧量（COD）[5,6]，但由于半纤维素和木质素的存在，基于生物能源的过程（如厌氧消化（AD）从开心果废弃物中产生的甲烷量较低（约为42.2–192.5 L/kg VS或COD）[7,8]，因为这些成分阻碍了微生物对纤维素的利用[9]。尽管有少数研究探讨了使用热处理、碱处理或这些方法的组合对开心果废弃物的预处理效果[6,8]，但关于利用表面活性剂或超声波处理开心果外壳以产生生物能源的文献较少，且缺乏相关的研究。现有文献中仅有一篇论文评估了水热-碱处理对提高开心果外壳甲烷产量的效果[8]。
十二烷基硫酸钠（SDS）是一种阴离子表面活性剂，由于其亲水-疏水平衡（HLB）为40，可以促进原料中木质纤维素成分（尤其是疏水性成分）的去除[10]。以往的研究主要关注SDS在其他生物质（如报纸、黑麦草）上用于生产生物乙醇和聚羟基烷酸酯[11,12]，但没有研究将其应用于开心果外壳以产生甲烷。Zhou等人[13]和He等人[14]表明，使用表面活性剂（如皂苷）预处理活性污泥可以提高甲烷产量。还有研究显示，与Tween80和溴化十六烷基三甲铵（cetyltrimethylammonium bromide）相比，增加SDS浓度可以提高可溶性化学需氧量（sCOD）与总化学需氧量（sCOD/tCOD）的比率[15]。然而，为了避免SDS对产甲烷菌的潜在抑制作用[16]，本研究中也评估了适当的剂量（0.01–0.1 kg/kg TS）。
除了表面活性剂外，使用超声波作为预处理策略也适用于木质纤维素材料[17]。超声预处理包括空化现象，即在低频率（低于40 kHz）的超声波作用下快速产生、成熟和破坏气泡，从而产生高温、高压、湍流和剪切力[18]。这会导致高度活性的自由基（如H?、OH?、HO?）的生成，这些自由基可以攻击木质纤维素材料的细胞壁结构[19]。先前的研究证明了超声处理可以提高污水污泥[20,21]或其他生物质[22,23]的甲烷产量。然而，这些研究均未针对开心果外壳进行。
据作者所知，这是首次研究单独或联合使用SDS和超声波在开心果外壳上进行厌氧消化的可能性。最近，类似的方法（结合超声波和其他表面活性剂）已成功应用于提高污水污泥或食物废弃物的沼气产量[14,24]，但对于更难处理的生物质（如开心果外壳），仍需进一步评估。然而，仅评估甲烷产量不足以全面评估所提出方法的可行性。
准确预测甲烷产量对于全规模沼气厂的管理至关重要。最近，人们使用自回归积分移动平均（ARIMA）模型代替传统的Sigmoid模型（如Gompertz和Logistic模型）进行沼气预测[21]。ARIMA利用过去观测数据中的随机误差，并结合线性函数来提高预测准确性[25]。但深度学习的最新进展表明，长短期记忆（LSTM）模型由于能够解决标准循环神经网络的梯度消失问题，可以更好地捕捉长期时间依赖性[26]。因此，本研究还比较了改良Gompertz模型、LSTM模型和ARIMA模型在预测开心果外壳原料及其预处理后甲烷产量方面的准确性。
生命周期评估（LCA）也是评估多种方法可持续性的重要工具，可以提供有关有机固体废物处理影响的信息[27]，例如开心果外壳。例如，Wang等人[28]强调了秸秆生产沼气的环境可持续性。Liu和Rajagopal[29]报告称，与堆肥和热解等其他动物粪便处理方法相比，厌氧消化具有正的能量平衡。因此，本文比较了添加SDS、超声处理和SDS辅助超声处理方法的LCA。
据我们所知，这是首次i）将SDS辅助超声处理应用于开心果外壳以生产生物甲烷，ii）阐明其增效机制，包括溶解路径（sCOD/tCOD）、选择性半纤维素分解、有限的木质素参与以及挥发性脂肪酸动态，iii）将批次实验结果与动力学驱动的放大模型、能量平衡和LCA相结合。
