MongoDB is geen magische query-accelerator. Je site wordt niet 10x geladen alleen omdat je overschakelt naar mongo.
Afgaande op uw cijfers, vermoed ik dat er sprake was van verzadiging van de bronnen. MySQL kan zeker veel meer dan 500 QPS.
Weet je wat je bottleneck was? Ik durf te wedden dat je veel minder RAM hebt dan nodig is, gegevens moeten van de schijf worden gehaald en de schijf raakt verzadigd. Op dit moment zal geen enkele DB-technologie je helpen, tenzij je meer ijzer krijgt (of wat gegevens verwijdert).
Wat betreft de slechtere prestaties van mongo, het is moeilijk te zeggen zonder de details.