本发明公开了一种改性复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，属于废水处理技术领域。其中，改性复合石墨烯气凝胶由氧化石墨烯在还原剂的作用下与羧基化碳纳米管通过水热法合成制备得到。本发明还提供了上述改性复合石墨烯气凝胶厌氧生物处理有机物废水的方法。本发明提供的气凝胶外观完整，结构紧密，具有低密度和高比表面积，其在厌氧生物处理有机物废水的过程中，以块状的形式存在，避免流失，提高了反应运行的稳定性；其表面的羧基和羰基等含氧官能团作为电子穿梭基团，能够增强微生物之间的胞外电子直接传递，增加反应速率，从而加速甲烷的产生和有机物的去除效率。