本发明提供了一种增强型羧基化石墨烯改性聚氨酯载体及其制备方法和应用。该载体中，通过在聚氨酯载体表面接枝多层羧基化石墨烯，增大了聚氨酯载体的比表面积和表面粗糙度，改善微生物表面附着过程，提高载体的生物负载能力；并且，通过羧基化石墨烯为聚氨酯载体引入羧基、羟基等表面活性官能团，提高改性后的聚氨酯生物载体的亲水性，从而增强载体的生物亲和性，有助于缩短改性生物载体表面的生物膜发展过程。因而，本发明提供的改性聚氨酯载体，具有热稳定性强、生物膜生成时间短、生物膜生成量多等特点，在生物反应污水处理系统中具有很好的应用前景。