MongoDB är inte en magisk frågeaccelerator. Din webbplats kommer inte att belastas 10 gånger bara för att du byter till mongo.
Att döma av dina siffror misstänker jag att det ägde rum en resursmättnad. MySQL kan säkert göra mycket mer än 500 QPS.
Vet du vad som var din flaskhals? Jag skulle satsa på att du har mycket mindre RAM än vad som behövs, data måste hämtas från disken och disken blir mättad. Vid det här laget kommer ingen DB-teknik att hjälpa dig, såvida du inte får mer järn (eller raderar vissa data).
När det gäller mongos sämre prestanda är det svårt att säga utan detaljerna.