本申请涉及污泥处理技术领域，提供一种污泥分层湿式研磨破碎厌氧发酵装置，包括罐体、第一三相分离器、沼气柜和研磨器，第一三相分离器设于所述罐体内并将罐体内分为下部的厌氧发酵区和上部的污水厌氧区，沼气柜设于罐体的顶部，罐体上设有连通厌氧发酵区的进料管和出料管，罐体上设有连通污水厌氧区的排水管，研磨器设于罐体的下部并用于对厌氧发酵区内的污泥进行研磨，排水管连接有回水箱，回水箱通过回水管与厌氧发酵区的底部连通，回水管上设有水泵。通过设置研磨器，将污泥研磨成细小颗粒，以便提高厌氧发酵效果；通过设置回水管，利用回水管对污泥进行搅拌和稀释，增加了污泥的流动性，从而提高厌氧发酵效率。