MongoDB er ikke en magisk forespørgselsaccelerator. Dit websted vil ikke opretholde 10x belastning, bare fordi du skifter til mongo.
At dømme ud fra dine tal har jeg en mistanke om, at der fandt ressourcemætning sted. MySQL kan helt sikkert meget mere end 500 QPS.
Ved du, hvad din flaskehals var? Jeg vil vædde på, at du har meget mindre RAM end nødvendigt, data skal hentes fra disken og disken bliver mættet. På dette tidspunkt vil ingen DB-teknologi hjælpe dig, medmindre du får mere jern (eller sletter nogle data).
Hvad angår mongos dårligere ydeevne, er det svært at sige uden detaljerne.