二仁溪是國內污染程度最嚴重河川之一，環保署於90年動員數百人力強制拆除該流域地下廢五金業者，並列為13條重點整治河川之一，投入大筆經費進行河川水質改善工作外，91年起結合當地社區大學及志工團體成立河川巡守隊，配合環保機關加強稽查，經過3年多各界共同努力，二仁溪水質改善漸露曙光，92年以前全河段河川污染指標「RPI值」皆屬於嚴重污染河段，93年已大有改善，嚴重污染河段已削減至一半以下，僅剩約47.2%，約50.4%為中度污染河段，甚至有2.4%達輕度污染河段。
環保署自91年起陸續於二仁溪進行各項河川水質改善工程，除了於大甲社區、灣裡社區已設置處理量共計150CMD社區型人工濕地外，91年先於三爺溪設置一處接觸曝氣水質淨化模場，92年於仁德糖廠進行水質淨化興建工程，其設計處理量為33,000CMD，甫於93年底完成主體工程，現進行試運轉工作。並於該淨化場旁進行生態園區工程細部設計，將該場打造成為一個兼具水質改善效益及生態教學之生態園區。另於深坑仔溪利用台糖用地已完成深坑仔溪水質淨化場工程細部設計，俟台南縣政府完成用地取得工作即可展開工程施工。
另外，環保署與台南市政府共同合作，於93年利用虎尾寮污水處理廠處理家戶污水餘裕量，改用來處理二仁溪污染最嚴重支流三爺溪水，經過三個月試驗，初步成效良好，其生化需氧量(BOD5)平均去除率50%，化學需氧量(COD)平均去除率50%，懸浮固體(SS)平均去除率可達74%，94年將持續改善污水處理廠部分設施，並將處理量提高至10,000 CMD。
二仁溪事業多集中在支流三爺溪沿岸，目前依水污法列管事業為197家，仍以金屬表面處理業、畜牧業及電鍍業為主，依據本署南區督察大隊稽查結果，去年稽查二仁溪流域污染源合計471次，查獲違法告發者亦達109件，同時為杜絕河岸常被偷倒廢液、廢土、廢棄物及偷排廢水之重大污染事業，於二仁溪沿岸設置15組污染監視系統，進行污染蒐證，以立即掌握污染情事採取緊急因應措施。環保署期待各項污染削減措施陸續上軌道，持續改善污染現況，並洗刷二仁溪被稱為「黑龍江」的臭名。