本发明涉及硫自养反硝化污泥颗粒化及硫泥分离装置及其运行方法，装置包括密闭的反应器主体、三开孔气袋、进水箱和出水箱；反应器主体顶部设置有出气口，底部设置有进气口，出气口和进气口均通过气管分别接入三开孔气袋的两个进出气口；反应器主体侧壁自上而下依次设置有出水口和进水口，出水口通过水管接入出水箱，进水口通过水管接入进水箱。本发明无需连续通入大量氮气，减小了曝气成本；气体内循环系统气压稳定，不易出现倒吸、进出水憋水等问题；循环曝气产生的大量微小气泡，形成了适宜的固液剪切力，利于颗粒污泥的形成；硫自养反硝化产物硫单质可附着于气泡上，形成浮起硫泡沫，实现了泥分离；周期自运行，减少了人工消耗，缩减了成本。