O rápido crescimento populacional resultou no aumento da demanda de alternativas viáveis para sistemas de esgotamento sanitário em localidades desprovidas desse serviço. neste estudo, objetivou-se verificar o desempenho de reatores em bateladas sequenciais (rbs) e determinar a composição da comunidade microbiana responsável pela remoção de matéria orgânica e nutrientes. para tanto, dois reatores em bateladas sequenciais (rbs1 e rbs2), integrantes de sistemas descentralizados de tratamento, em escala real, alimentados com esgoto sanitário, foram operados com baixa concentração de oxigênio dissolvido (0,3-0,7 mg l-1) e diferentes razões c/n. os reatores apresentaram variações na carga aplicada ao longo do monitoramento (etapa ii 0,5 e 0,4 kg m-3 d-1 para os rbs 1 e 2, respectivamente; e na etapa iii variou entre 0,2 e 3,4 kg m-3 d-1 no rbs2) não interferindo contudo na sua eficiência. as eficiências de remoção foram superiores a 80% para dqos e dqot; 60% para n-nh4+, 70% para sst e 80% para ssv. verificou-se que as remoções de matéria orgânica e nitrogênio ocorriam nas primeiras horas do ciclo, indicando que o sistema funciona eficientemente em ciclos com duração inferior a 4 horas. a microscopia evidenciou um lodo concentrado composto por amebas nuas e tecadas, ciliados e rotíferos. a biomassa era formada por um consórcio microbiano comumente relatado em sistemas de tratamento por lodos ativados. houve ocorrência de bactérias nitrificantes dos gêneros nitrospira e nitrosomonas e organismos acumuladores de fosfato em ambos os reatores. os gêneros thiobacillus, desulfovibrio e organismos acumuladores de glicogênio foram detectados no rbs2, assim como observada elevada incidência de organismos acumuladores de fosfato desnitrificantes (média ≥70%). a temperatura mostrou-se determinante nos processos de nitrificação. mudanças na composição bacteriana do lodo foram verificadas ao longo do tempo em ambos os reatores, vinculadas aos fatores operacionais e às variações da qualidade do afluente, com diminuição da diversidade e frequência constante dos grupos nos períodos de alta carga. houve correlação entre alguns grupos encontrados em períodos de alta e baixa carga. os resultados reforçam a premissa de que rbs podem se adaptar às mudanças de cargas aplicadas (orgânica e de nutrientes), com aclimatação gradual da biomassa.