Você não pode fazer isso diretamente no Linux em x86_64 com um kernel de 32 bits. Você precisa de um kernel de 64 bits para poder executar o código de 64 bits. (Nota: kernel. Você pode ter 32bit userland em execução em um kernel de 64 bits e instalar suporte para binários de 64 bits. Como isso é fácil depende da distribuição. Exemplo aqui para o Debian.)
Alguns softwares de virtualização são capazes de fazer isso (com restrições quanto ao tipo de CPU que você está usando), e os emuladores também podem fazer isso. Mas, para executá-lo nativamente, você precisará de um kernel de 64 bits.
Como a maioria das distribuições de 64 bits tem suporte a 32 bits (seja por padrão ou instalável), é isso que você deve usar se precisar executar binários de 64 bits e 32 bits no mesmo SO.