本发明公开的一体式高效自养脱氮反应器包括同轴线装置的内筒和外筒，在内筒的上部同轴线套置安装三相分离器和与外筒壁上部直径扩大处紧密连接的喇叭筒，利用喇叭筒将内筒和外筒所形成的空间分隔为厌氧区和沉淀区，内筒作为好氧区，内筒顶面有将沉淀区和厌氧区隔离的环形溢流堰，好氧反应区内接种短程硝化污泥，设有螺旋式微孔曝气管，厌氧反应区内接种厌氧氨氧化污泥并添加颗粒态竹炭填料作为污泥载体。本发明实现了单一反应器内不同功能微生物的单独培养，可满足短程硝化与厌氧氨氧化过程的关键操作需求，保证反应器的高效稳定运行，适用于高氨氮、低碳氮比废水的处理。