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，列為13條重點整治河川之一，並於94年11月14日與水利署、台南市、台南縣及高雄縣政府共同簽署二仁溪再生願景宣言，希望達成「水質清澈魚兒重現」、「守望相助杜絕污染」、「河岸面清潔無垃圾」、「開創親水空間」四大願景。 95年5月2日於台南市政府邀集水利署等8個單位召開第2次聯繫會報，另邀請地方環保團體及河川巡守義工共同參與，商討如何順利推動二仁溪污染整治工作。
環保署與台南市、台南縣及高雄縣政府共同推動二仁溪流域水質改善、水質淨化興建工程。其中，環保署與台南市政府合作整建既設之虎尾寮污水處理廠，截流處理二仁溪污染最嚴重支流三爺溪溪水，頗具成效。該廠原係處理虎尾寮重劃區之家戶污水，因尚有餘裕量，故於93年度先截流5,000噸之三爺溪水處理，試驗結果成效良好。94年度持續改善污水處理廠部分設施，提高該廠設備利用率，再增加抽取5,000噸溪溪水處理。該廠已於95年4月底完成工程施作及試運轉作業，未來每日將截流1萬公噸三爺溪受污染水進入該廠處理後，再放流回三爺溪。除可降低原污染現況外，亦有助於河川自淨作用，對於二仁溪改善污染整治為新生力軍的投入。
此外，並持續加強轄區事業及畜牧場污染稽查管制，95年1月至3月地方政府共稽查276家次、採樣68家次。其中台南縣共處分12家次（含畜牧業2家次），處分金額214萬元(含畜牧21萬元)；為杜絕非法污染排放，並結合社區、學校及環保團體成立巡守隊協助污染巡防。
為整治二仁溪，除環保署外，各部會也都共同參與。經濟部工業局成立「廢水處理技術輔導小組」，協助事業單位提昇廢水污染防治設施功能。水利署第六河川局辦理三爺溪匯流口至台一線省道二層行橋兩岸堤防興建工程，現正辦理用地分割事宜。農委會委請學術研究機構，輔導轄區畜牧業提升廢污水操作及處理技術，該會水土保持局也將辦理二仁溪上游河段3處水土保持及植生復育工程，藉以降低懸浮固體對該溪之污染。營建署協助推動「台南縣歸仁鄉污水下水道系統」及「台南縣仁德鄉污水下水道系統」興建工程規劃作業。